Занимательная физика и нейроаксиальная анестезия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Занимательная физика и нейроаксиальная анестезия

Р.Р. Сафин

Введение

При проведении нейроаксиальной анестезии фундаментальные законы физики и физико-химические параметры местных анестетиков, практикующими врачами, как правило, во внимание не принимаются. Более того, они предпочитают в своей повседневной работе опираться в большей степени не на точные физико-математические расчёты, а на эмпирический опыт и умозрительные предположения.

Удельная плотность, баричность и температура

В области спинальной анестезии среди анестезиологов широко укоренился миф, согласно которому, местно анестезирующий препарат, введённый субарахноидально, болюсом, мгновенно приобретает температуру тела и не существует необходимости делать какую-либо поправку на исходную комнатную температуру при его введении. Однако, проведённое исследование удельной плотности местно анестезирующего препарата при различных температурных параметрах (денситометр DMA 4500, Антон Паар, Австрия, функциятермосканирования) показало, что так называемые «изобарические» местные анестетики при комнатной температуре (0.5 % маркаин , 0.5% ропивакаин) на поверку оказываются гипербарическими. Старания отечественных производителей привели к появлению на рынке препаратов БлоккоС и Буванестин. Плотностные характеристики БлоккСа и его химический состав близки к 0.5% раствору бупивакаина зарубежного производства. Исследования методом осцилляционной денситометрии показали, что при комнатной температуре удельная плотность этих препаратов составляет 1,004313 ±0.000002 гр/мл, а при 37°С 0. 999413 ±0.000002 гр/мл. yjd

рК и температура.Важный показатель, иногда отражаемый, в прилагаемых инструкциях, а иногда и не упоминаемый вовсе,является отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации местного анестетика или рК. Учёными- аналитиками было установлено, чем выше величина рК, тем дольше латентный период действия для любого типа местного анестетика. Наиболее короткий латентный период развития клиники регионарного блока характерен для лидокаина. При спинальной анестезии 2% лидокаином клиника блока развивается на пятой минуте, а при эпидуральной анестезии- к 15 минуте. рКлидокаина при комнатной температуре составляет 7,9.Показатель рК для бупивакаина и ропивакаиназарубежного производства составляет 8.12 при комнатной температуре. Это определяет более замедленное развитие клинической картины как спинального, так и эпидурального блока.

Отечественный препарат Буванестин (Биосинтез, Курган), включающий в себя 8 мг янтарной кислоты на 1 мл раствора имеет рК= 8.2. Такой показатель объясняет длительный латентный период действия препарата по сравнению со всеми остальными и очень медленное , а в ряде случаев - развитие неполноценной в отношении анальгезии блокады.Отечественный препарат БлоккоС (Сотекс, Н.Новгород), в отличие от Буванестина, свободен от янтарной кислоты, но его рК также составляет 8.2 и он тоже характеризуется таким же медленным развитием блока. Причина отличия данного показателя от рКзарубежного аналогаможет состоять в том, что в качестве буферного ингредиента в импортном 0.5% бупивакаине используется оксид натрия, а в отечественных растворах для стабилизации применяется октанол-фосфатный буфер.Нагревание местных анестетиков до 37°С снижает их рК. У лидокаинарК при этой температуре составляет 7,6, а у зарубежногобупивакаина и ропивакаина -7,92.Снижается рК и у отечественных препаратов до 8,05. В этом случае спинальный блок с глубокой анальгезией развивается к 15 минуте, а эпидуральный блок - до 25-й минуты.Нагревание лидокаина, кроме того, приводит к тому, что при эпидуральной анестезии блок развивается не к 15 минуте, а до начала 10-й, что позволяет ориентироваться не только на отрицательную пробу при введении тест-дозы а на клинику эпидурального блока непосредственно. При нагревании растворов бупивакаина и ропивакаинатакже сохраняется тенденция к сокращению латентного периода развития как спинального, так и эпидурального блока.

Стендовые исследования на макете стеклянная спина продемонстрировали, что до того, как произойдет выравнивание температурных градиентов введённого болюса и окружающего ликвора, препарат распределяется в окружающей среде неравномерно, причём именно как гипербарический препарат, с ассиметричной фиксацией местного анестетика на нервных волокнах по направлению вектора силы тяжести. При предварительном подогревании «изобарического» препарата до температуры тела, раствор 0.5% бупивакина (без янтарной кислоты) приобретает гипобарические свойства и распределяется уже путём конвекции в противоположном направлении от вектора силы тяжести и его распределение на нервных волокнах носит зеркальный характер относительно распределения препарата с гипобарическими характеристиками (См. Рис.1)

6-я секунда 40-я секунда

30-я секунда 50-я секунда

Рис 1. Распространение подкрашенного раствора местного анестетика, вводимого со скоростью 3 мл/мин.

Теплообмен. Ещё один широко распространённый среди врачей миф заключается в том, что при введении препарата комнатной температуры через тонкую спинальную иглу со скоростью 1 мл/мин теплообмен между препаратом внутри иглы и окружающими иглу мягкими тканями автоматически приводит к нагреванию препарата до температуры тела. Разработанная сотрудниками кафедры теоретической физики Приволжского КФУ физико-математическая модель теплообмена на основе термодинамического закона Ньютона -Рихмана и расчёты с использованием справочных данных показало, что использование тонких игл даже при низких объёмных скоростях как-раз таки приводит к увеличению линейной скорости препарата в просвете иглы, что существенно тормозит процесс теплообмена. Здесь уместна аналогия с радиатором, трубки которого забиты накипью и вызывают не только сужение их просвета, но и перегрев охлаждаемого объекта.

Расчёт прироста температуры препарата при его введении через спинальную иглу определяется по формуле ДТ= (Т₁-Т₀)Ч(1-е^-лL), где:

л= 4б/cсdv

ДТ - прирост температуры в результате теплообмена

Т₁- температура тела, 37°С

Т₀- комнатная температура, 20°С, число е=2,71828…

L-глубина погружения иглы в мягкие ткани,

б-коэффициент теплопереноса воды

с-теплоемкость воды

с-удельная плотность воды

d-внутренний диаметр иглы

v-линейная скорость потока внутрииглы

Данная модель послужила основой для расчёта прироста температуры раствора при его спонтанном нагревании окружающими иглу тканями.

Расчёты прироста температуры в зависимости от объёмной скорости МА и глубины погружения иглы 20, 22 и 25G представлены на таблице 1, 2 и 3.

Таблица 1.Прирост температуры жидкости в игле 20G

Таблица 2.Прирост температуры жидкости в игле 22G

Таблица 3.Прирост температуры жидкости в игле 25 G

Значение величин прироста температуры местных анестетиков при спонтанном нагревании в таблицах 1-3 видно на представленном графике (Рис.2), из которого явствует, что все практически местные анестетики,за исключением 0.5% бупивакаинаХЭВИ и Буванестина приобретают гипобаричные свойства только при температуре 37°С, которое никак не может быть достигнуто без предварительного подогрева препарата.

Рис.2

Зависимость показателей удельной плотности и баричности растворов местных анестетиков от температуры

Эксперимент на животных.Опыты на животных выполняли в соответствии с приказом № 755 от 12.08.77 МЗ СССР и приказом № 701 от 27.07.78 МЗ СССР, приказом Министерства высшего образования СССР № 724 (1984).

Эксперименты выполнены на половозрелых белых крысах линии Вистар обоего пола с массой тела 260-280 г. Критериями включения животных в эксперимент являлись соблюдение протокола исследования и технически правильно выполненная анестезия, критериями исключения - случайные травмы спинного мозга или его корешков, проявляющиеся грубыми неврологическими нарушениями.

После катетеризация эпидурального пространства животным основной группы (n= 25) эпидурально вводили 0,25 мл 0,25% раствора ропивакаина при температуре 43,1єС, в контрольной группе (n= 25) - 0,25 мл того же МА при температуре 20°С-22°С. Эпидуральный катетер устанавливался открытым способом через операционную рану.

После выведения животных из эксперимента готовили гистологические срезы спинного мозга и определяли наличие признаков повреждения (экспрессия белков теплового шока 70 000 дальтон) в белом и сером веществе спинного мозга. Световая микроскопия осуществлялась с увеличением в 40 раз.

Результаты эксперимента. В срезах спинного мозга выявлена неспецифическая воспалительная реакция в виде лейкоцитарной инфильтрации, причем в основной группе её выраженность была значительно меньше.

В обеих группах выявлено наличие окрашенных антител, конъюгированных с белком теплового шока молекулярной массой 70 000 Д, равномерно распределённых в зоне клеток передних рогов спинного мозга. Исследование не обнаружило признаков увеличения экспрессии белка Hsp 70 000 Д в ответ на введение раствора анестетика при 43°С.

Упругость и деформация иглы.С точки зрения законов физики также необходимо пересмотреть классическую технику спинального блока. В большинстве книг и монографий, посвящённых спинальной анестезии рекомендуется фиксировать пальцами рук только канюлю спинальной иглы, не касаясь её полотна. Если калибр иглы меньше 22G и жёсткость полотна спинальной иглы недостаточна, то рекомендуется использовать инвазивный интродьюсер в виде короткой иглы калибра более 22G, или в виде эпидуральной иглы с торцевым отверстием типа “back-eye”, через просвет которой и выполняется пункция субарахноидального пространства. Хотя использование спинальных игл малого калибра коррелирует со снижением частоты постпункционных головных болей, однако введение в спину пациента иглы-интродьюсера приводит к повышению частоты поясничных болей после такой спинальной пункциииз-за дополнительной травматизации. Нами была разработан способ усиления жёсткости тонкой спинальной иглы без дополнительного инвазивного компонента в виде полезной модели, на которую был получен патент РФ №121436 в 2012 г (Рис.3).

Рис.3

Проводник для спинальной иглы (полезная модель)

1- Отверстие для проведения спинальной иглы

2- Рукоятка

3- Корпус проводника

Идея данной полезной модели заключается в том, что жёсткая фиксация середины полотна при введении спинальной иглы увеличивает жёсткость и критическую силу деформации иглы в 4 раза, что существенно уменьшает её отклонение при проведении через ткани пациента. В качестве направителя можно использовать подручные средства с условием соблюдения правил асептики и антисептики: обрезанныйинтродьюсер, пуговицу или фиксировать полотно иглы с помощью марлевого шарика.

В основе этого способа лежат законы физики сопротивления материалов, которые отражают процесс деформации стержня, закрепленного на шарнире, аналогом чего и является начало процесса спинальной пункции. Этот процесс может быть выражен формулой Эйлера(см. Рис.4)

P =р² Ч E ЧJ / L²,

Где

P - Критическая сила, при которой стержень теряет устойчивость и начинает изгибаться.

р=3,14

E- модуль упругости.

J - минимальный осевой момент инерции стержня

L- длина стержня.

Рис.4

Схема деформации стержня с шарнирным креплением

Гидропоршень.Однако, пожалуй, самым интересным феноменом гидродинамики, имеющим прикладное значение при эпидуральной анестезии, является феномен гидрозатвора. Этот феномен проще показать, чем объяснить. Смысл его заключается в том, что если в пористую трубку вводить растворы на определенном расстоянии друг от друга, то будут формироваться два ламинарных расходящихся в разные концы трубки потока с зоной сдвига на середине расстояния от точек введения. Эта зона сдвига является практически непреодолимым препятствием, которое исключает перемешивание потоков, поскольку нет процессов турбуленции и конвекции, а процессом диффузии, ввиду его слишком большой длительности, в данном случае можно пренебречь (см. Рис.5)

Рис.5.

Стендовая модель эпидурального пространства и демонстрация феномена гидрозатвора.

В медицинской литературе описаны случаи трагические повреждения спинного мозга при использовании эпидурального блока в сочетании с общей анестезией с целью обеспечения абдоминальных операций, когда установка эпидуральногокатетера выполнялась после индукции, введения релаксантов и интубации. Практическое использование этого феномена состоит в том, что в этом случае эпидуральное пространство катетеризуется в смежных межоститых промежутках на уровне L₂-L₄, что исключает риск прямого повреждения спинного мозга, который при этом остаётся вне границ проведения инвазивной манипуляции. Данный метод был успешно использован при торакапластиках воронкообразной деформации грудной клетки, маммопластиках и пилоропластиках стенозовантрального отдела желудка, как во время проведения операции, так и в послеоперационном периоде для лечения болевого синдрома в режиме болюсного введения.

Заключение

Подводя итоги, считаю необходимым сказать, что С.С. Юдин считал нейроаксиальную анестезию одним из наиболее эстетических видов медицинского искусства, гармонию которой, однако, говоря словами Александра Сергеевича Пушкина, всегда необходимо поверять алгеброй. Благодарю за внимание!

Размещено на Allbest.ru