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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
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016 Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 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
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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
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Cosa possono causare le Superfici di Supporto?
Healthy Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Cosa possono causare le Superfici di Supporto?
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Aree di rischio con le diverse posture
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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.
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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.
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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.
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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
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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
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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
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Materassi: cambi di postura e orientazione
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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
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Materassi: scivolamento
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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).
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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
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Tessuti molli all’interfaccia
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Tessuti alle Superfici di Supporto
Shear
Strain
Axial
Strain
Undeformed F perpendicular
F parallel (shear)
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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.
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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
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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.
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Ipotesi: 1o meccanismo dovuto alle tensioni tangenziali
Delaminazione degli strati della pelle
Hagisawa, 2005
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
E’ più facile bloccare il flusso sanguigno a Taglio Oomens, 2013
Ipotesi: 2o meccanismo dovuto alle tensioni tangenziali: occlusion vasi sanguigni
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Due Meccanismi di evoluzione del Danno
strain
Oomens, 2013
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
strain
Oomens, 2013
Due Meccanismi di evoluzione del Danno
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
strain
Occlusione dei vasi
sanguigni
Cambio del metabolismo
Accumulo di prodotti di
scarto
Diminuzione del pH
MORTE CELLULARE
Oomens, 2013
Due Meccanismi di evoluzione del Danno
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
strain
Danno Correlato alla Deformazione Cellula
Rottura Membrana
Distruzione del citoscheletro
?
Oomens, 2013
Due Meccanismi di evoluzione del Danno
Occlusione dei vasi
sanguigni
Cambio del metabolismo
Accumulo di prodotti di
scarto
Diminuzione del pH
MORTE CELLULARE
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Model system
single cell studies
Tissue engineered muscle
Rat model human volunteers Oomens, 2013
Sistemi Modello per lo studio delle ulcere da decubito
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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
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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
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
“ 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
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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)
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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
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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
• …………………………………..
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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.
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• 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/
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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