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Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016 Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016

IL FUTURO PROSSIMO DEI SISTEMI ANTIDECUBITO: DALLA RICERCA ALLA PRATICA

Nicola PETRONE

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

Temi di ricerca: problematiche attuali e linee di ricerca per le superfici di supporto antidecubito

EXPOSANITA’ 2016 Fiera di Bologna 19 Maggio 2016


• Oggetto dello studio

• Terminologia di base

• Ricerche sul meccanismo di danneggiamento

• Approcci di ricerca

• Problemi aperti

Outline

Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016

Cosa sono le Superfici di Supporto?

• Qualsiasi superficie che viene a contatto diretto con l'utente.

• Materassi

• Cuscini

• Accessori : supporti laterali -tronco supporti coscia -mediali & laterali supporti -Testa


Cosa fanno le Superfici di Supporto?

Qualsiasi superficie che viene a contatto diretto con l'utente introduce ... .:

• .DISTRIBUZIONE di PRESSIONE sulle superfici della PELLE

• ..DEFORMAZIONE DEI TESSUTI a causa della DISTRIBUZIONE DI pressione

• ..DEFORMAZIONE A TAGLIO DEI TESSUTI per attrito e gradiente alla superficie di interfaccia

• ..MODIFICA della circolazione sanguigna e linfatica

• .. MODIFICA DELLO SCAMBIO TERMICO

• .. MODIFICA DEI FLUSSI DI UMIDITÀ


Cosa possono causare le Superfici di Supporto?

Healthy Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4


Cosa possono causare le Superfici di Supporto?


Aree di rischio con le diverse posture


Terminologia di base

Due oggetti in contatto tra loro: il corpo umano (1) e il cuscino (2).

Ci possono essere molteplici interfacce tra questi due corpi (vestiti, federe,

lenzuola, tappeti ..).

Le forze gravitazionali applicate staticamente al corpo umano vengono

trasmesse al cuscino attraverso una superficie di contatto la cui forma

complessa può dipendere da rigidezza e forma di corpo umano e di cuscino.

In qualsiasi posizione della superficie di contatto, si può idealmente definire

un piano tangente.


Terminologia di base: Forze

Con riferimento ad un piano dato, due tipi di forze possono essere definite.

La forza perpendicolare al piano è una Forza Perpendicolare . La forza

parallela al piano è la Forza di Taglio. Questo è rappresentato nella figura

in cui i due oggetti vengono semplificati come oggetto 1 e Oggetto 2. In tale

figura, i due oggetti sono a contatto su una superficie piana in comune di

area A.


Terminologia di base: tensioni

Quando la forza perpendicolare viene distribuita sulla superficie di contatto

di area A, si ottiene una pressione.

Quando la Forza di taglio viene distribuita sulla superficie di contatto di

area A, si ottiene una Tensione di taglio.


Terminologia di base: unità di misura

Pressure

1 mm 1 mm

Shear

Stress

Le unità di misura della pressione sono forza su una superficie.

Le stesse unità sono valide per lo sforzo di taglio.

𝑝 =𝐹[𝑁]

𝐴 𝑚2= 𝑃𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙 𝑃𝑎 =

[1𝑁]

1𝑚2

1 𝑘𝑃𝑎 = 1000 𝑃𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙 = 7.5 𝑚𝑚𝐻𝑔

1 𝑚𝑚𝐻𝑔 = 133,322 𝑃𝑎 = 0,1333 𝑘𝑃𝑎


Terminologia di base: componenti di carico L’azione che genera le forze in corrispondenza delle superfici di supporto può

essere diversa

• PESO CORPOREO a causa della gravità

• Movimento del soggetto

• Movimento relativo delle superfici di supporto

• AZIONI di trasferimento da un luogo ad un altro

• AZIONI DI CURA

Perpendicular

Force

Shear

Force

BODY

WEIGHT

(VERTICAL)

Perpendicular

Force

Shear

Force

BODY

WEIGHT

(VERTICAL)

L’ orientamento assoluto delle superfici di supporto determina la quantità di

CARICHI Perpendicolare e di Taglio


Diverse superfici di supporto ricevono diverse componenti di

carico (perpendicolari e forze di taglio) a seconda della

posizione e dell'orientamento della loro superficie di riferimento

Perpendicular

Force

Shear

Force

BODY

WEIGHT

(VERTICAL)

Perpendicular

Force

Shear

Force

BODY

WEIGHT

(VERTICAL)

BACKREST SURFACE SEAT SURFACE

Terminologia di base: componenti di carico


Materassi: cambi di postura e orientazione


Terminologia di base: attrito La Forza di Attrito è, in generale, la forza che si oppone al movimento

relativo di due oggetti con superfici a contatto.

Per quanto riguarda la superficie di contatto dei due corpi, l’attrito produce

FORZE DI TAGLIO sul piano tangenziale della SUPERFICIE di

SUPPORTO, a seconda di (i) la quantità di forza perpendicolare tra le due

superfici, (ii) la natura delle due superfici e (iii) le condizioni ambientali

della superficie di contatto.

BODY

WEIGHT

(VERTICAL)

Perpendicular Force (pressure)

Shear Force


Materassi: scivolamento


Terminologia di base: tensioni LOCALI

(1)

(2) Shear Stress

(1)

(2) Pressure

La Forza di Attrito è, in generale, la forza che si oppone al movimento

relativo di due oggetti con superfici a contatto.

Per quanto riguarda la superficie di contatto dei due corpi, l’attrito

produce TENSIONI DI TAGLIO sul piano tangenziale della SUPERFICIE

di SUPPORTO, a seconda di (i) la quantità di pressione tra le due

superfici, (ii) la natura delle due superfici e (iii) le condizioni ambientali

della superficie di contatto.

Pressione su un piano tangente alla superficie di contatto (esercitata dal cuscino sulla pelle)

Tensioni di taglio causate della pressione e dall’attrito su un piano tangente alla superficie di contatto (esercitata dal cuscino sulla pelle).


Terminologia di base : DEFORMAZIONE

Deformazione Assiale, e Deformazione a Taglio, di un volume unitario

Shear

Strain

Axial

Strain

Forma deformata di due corpi a contatto: DEFORMAZIONE

Le deformazioni (cambiamento del volume unitario iniziale) possono essere

classificate come Deformazione Assiale, quando si verificano solo

cambiamenti dimensionali, o Deformazione a Taglio, quando si verificano

cambiamenti di forma,

Di solito si verificano insieme

Pressure

Shear Stress

Shear Stress


Tessuti molli all’interfaccia


Tessuti alle Superfici di Supporto

Shear

Strain

Axial

Strain

Undeformed F perpendicular

F parallel (shear)


Terminologia di Base Una distribuzione Complessa di deformazione si crea all'interno del tessuto molle

del corpo umano e all'interno del cuscino anche quando solo una forza

perpendicolare è applicata al cuscino, con riferimento alla superficie nominale

superiore del cuscino scarico.

L'eterogeneità dei tessuti umani in combinazione con la presenza di prominenze

ossee produce distribuzioni complesse di deformazione attraverso gli strati dei

tessuti molli all'interno del corpo.

Così, semplicemente sedendosi su un cuscino si producono distribuzioni di deformazione complesse all'interno dei tessuti molli del corpo e all'interno del cuscino. Diversi valori di deformazione a taglio si verificano nei diversi strati di tessuto.


Quando un ulteriore Forza di taglio viene applicato alla parte superiore del corpo, sforzi di taglio supplementari vengono prodotti alle superfici di contatto: questo cambia le distribuzioni di deformazione interne ai tessuti e può produrre un aumento di Shear Strain in determinate posizioni (ad alto rischio, COLORE ROSSO), come pure come una riduzione dei livelli di deformazione in altri luoghi (rischio più basso, COLORE VERDE)

Shear Strain

Axial Strain

Pressure

Shear Stress

Perpendicular

Force

Shear

Force

Tissue Damage Risk

Terminologia di Base


Terminologia di Base: il danno tissutale

La Deformazione a Taglio, insieme alla Deformazione Assiale, è

responsabile del danno ai tessuti molli a diverse profondità degli strati di

pelle (epidermide, derma, grasso, muscolo ...), a causa di un'occlusione

dei vasi sanguigni e alla distorsione della cellula. I diversi meccanismi

che causano questi danni sono ancora in fase di valutazione scientifica.


Ipotesi: 1o meccanismo dovuto alle tensioni tangenziali

Delaminazione degli strati della pelle

Hagisawa, 2005


E’ più facile bloccare il flusso sanguigno a Taglio Oomens, 2013

Ipotesi: 2o meccanismo dovuto alle tensioni tangenziali: occlusion vasi sanguigni


Peeters et al. Med. Biol. Engng. Comp. (2003)

Le cellule muoiono a causa di una moderata, ma sostenuta deformazione anche quando l’ossigeno ed i nutrienti sono

normali

Ipotesi: 3o danno cellular dovuto alla deformazione prolungata


Due Meccanismi di evoluzione del Danno

strain

Oomens, 2013


strain

Oomens, 2013



strain

Occlusione dei vasi

sanguigni

Cambio del metabolismo

Accumulo di prodotti di

scarto

Diminuzione del pH

MORTE CELLULARE

Oomens, 2013



strain

Danno Correlato alla Deformazione Cellula

Rottura Membrana

Distruzione del citoscheletro

?

Oomens, 2013


Occlusione dei vasi

sanguigni

Cambio del metabolismo

Accumulo di prodotti di

scarto

Diminuzione del pH

MORTE CELLULARE


Model system

single cell studies

Tissue engineered muscle

Rat model human volunteers Oomens, 2013

Sistemi Modello per lo studio delle ulcere da decubito


Approcci alla Ricerca

SPERIMENTALE

• Tappeti Pressori

• Sensori di Taglio

• Misure di Temperatura Umidità e Vapore

• Analisi con RM

SIMULAZIONE NUMERICA

Simulazioni ad elementi finiti della distribuzione di pressione e deformazione

Confronto di diversi tipi di cuscino


Tappettini Pressori

Sono misure della distribuzione della pressione applicata da cuscini e materassi

E’ un metodo consolidato di misura clinica per confrontare le diverse superfici di supporto ed altri interventi per i singoli soggetti

Ideale per un feedback sulla postura del soggetto

Quale la loro rilevanza per localizzare il danno tissutale iniziale?

Le misure di pressione da sole non sono sufficienti per avvisare il medico di potenziali aree di danno tissutale


Il Gradiente di Pressione

“

C5 Spinal Cord Injury Patient sitting on a 7cm Viscoelastic Cushion

Pressioni superiori a

100mmHg vengono

esercitate sulla TI

sinistra

Immediatamente

accanto alla zona di alta

pressione vi è una zona

di bassa pressione ~

45mmHg.

Il software presenta i

valori di pressione in

ciascuna cella

I valori consentono

anche una analisi

numerica del gradiente

(variazione) Bader, 2014


“ Le registrazioni del gradiente riflettono i cambiamenti spaziali della pressione. Alti gradienti si verificano in zone in cui le pressioni cambiano rapidamente dal basso verso l'alto tra sensori vicini. La vista 3-D è utile nella valutazione del gradiente.

Più è ripido il 'pendio della collina' creato dai picchi, più alto è il gradiente. Alti gradienti sono indicativi di uno scarso avvolgimento o di ridotte capacità di scarico delle prominenze ossee.

Maggiore è la pendenza, maggiori le forze di taglio a cui i tessuti possono andare incontro.

Maggiore è la pendenza, maggiore il danno che si verifica ai tessuti sottocutanei, in particolare presso le prominenze ossee, e maggiore è la resistenza al flusso di sangue nel raggiungere i punti con pressioni superiori”

Kim Davis, Kara Kopplin, Lloyd Walker, et al. International Best Practice Guidelines. 4th International Interdisciplinary Conference on Posture and Wheeled Mobility. 2014: 18-8.4.4 Gradient.

Il Gradiente di Pressione


Gradiente di Pressione

C5 Spinal Cord Injury Patient sitting on a 7cm Viscoelastic Cushion

Bader, 2014

La vista 3D può

essere utilizzata

per aiutare a

visualizzare le

transizioni tra alta

pressione e bassa

pressione.

(gradiente)


time

Exte

rnal

Pre

ssu

re

Reswick and Rogers, 1976

Study recenti portano ad una nuova curva di rischio

High Risk

Low Risk

INTE

RN

AL

LOC

AL

STR

AIN

/DEF

OR

MAT

ION

Oomens, 2013

Linder-Ganz et al. Journal of Biomechanics 2008


Le direzioni di ricerca aperte

• Sviluppare sensori di taglio accurati a livello di interfaccia pelle-superficie

• Chiarire l'influenza reciproca di pressione, attrito, umidità, deformazione a taglio interno

• Stabilire le soglie Strain / Tempo che danneggiano i tessuti.

• Modellare i fattori di rischio specifici per ciascun soggetto

• Correlare le Caratteristiche Ingegneristiche delle superfici con i risultati clinici riportati dagli utenti

• …………………………………..


References

• Ohura, N., Ichioka, S., Nakatsuka, T., Shibata, M. (2005). Evaluating dressing materials for the prevention of shear force in the treatment of pressure ulcers. J wound Care; 14 (9): 401-404.

• Thomas S. The Role of dressings in the treatment of moisture-related skin damage. World Wide Wounds [Internet] 2008 Mar 5 [cited 2010 Oct 12 1-14 Available from: http://www.worldwidewounds.com/2008/march/Thomas/Maceration-and-the-role-of-dressings.htmlmarch/Thomas[Online]

• Linder-Ganz E, Yarnitzky G, Yizhar Z, Siev-Ner I, Gefen A. Real-time finite element monitoring of sub-dermal tissue stresses in individuals with spinal cord injury: toward prevention of pressure ulcers. Ann Biomed Eng. 2009 Feb;37(2):387-400. doi: 10.1007/s10439-008-9607-8. Epub 2008 Nov 25. PubMed PMID: 19034666.

• Call E, Pedersen J, Bill B, Oberg C, Ferguson-Pell, M. Microclimate impact of Prophylactic Dressings Using In Vitro Body Analog Method. Wounds 2013;25(4):94-103

• Dealey, C., Brindle, T., Black, J., Alves, P., Santamaria, N., Call, E., Clark, M. Challenges in pressure ulcer prevention. International Wound Journal, DOI: 10.111/iwj.12107. Published online 20 Jun 2013.

• Coleman S, Nixon J, Keen J, Wilson L, McGinnis E, Dealey C, Stubbs N, Farrin A, Dowding D, Schols JM, Cuddigan J, Berlowitz D, Jude E, Vowden P, Schoonhoven L, Bader DL, Gefen A, Oomens CW, Nelson EA. A new pressure ulcer conceptual framework. J Adv Nurs. 2014 Oct;70(10):2222-34. doi: 10.1111/jan.12405. Epub 2014 Mar 31. PubMed PMID: 24684197.

• http://www.npuap.org/resources/educational-and-clinical-resources/prevention-and-treatment-of-pressure-ulcers-clinical-practice-guideline/


Ringraziamenti

• Dan Bader, University of Southampton

• Cees Oomens, University of Technology Eindhoven

• Kath Bogie, Cleveland Advanced Platform Technology Center

• Evan Call, EC Services

• Dave Brienza, University of Pittsburgh

• Kara Kopplin, ROHO, Inc

• Ray Hodgkinson, BHTA

• Barend Ter Haar, BES

• Maria Laura Magrini, University of Padova

• Michael Scarpari, University of Padova

• Francesco Bettella, University of Padova

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