Linee ricerca superfici supporto

EXPOSANITA’ 2016 Fiera di Bologna
19 Maggio 2016
Temi di ricerca: problematiche attuali e
linee di ricerca per le superfici di
supporto antidecubito
Nicola PETRONE
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA
IL FUTURO PROSSIMO DEI SISTEMI ANTIDECUBITO:
DALLA RICERCA ALLA PRATICA
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Outline
• Oggetto dello studio
• Terminologia di base
• Ricerche sul meccanismo di danneggiamento
• Approcci di ricerca
• Problemi aperti
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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
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Cosa possono causare le Superfici di
Supporto?
Healthy
Stage 1
Stage 2
Stage 3
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Stage 4
Cosa possono causare le Superfici di
Supporto?
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Aree di rischio con le diverse posture
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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
Le unità di misura della pressione sono forza su una superficie.
Le stesse unità sono valide per lo sforzo di taglio.
𝐹[𝑁]
[1𝑁]
𝑝=
= 𝑃𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙 𝑃𝑎 =
2
𝐴𝑚
1𝑚2
Shear
Stress
Pressure
1 𝑘𝑃𝑎 = 1000 𝑃𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙 = 7.5 𝑚𝑚𝐻𝑔
1 mm
1 mm
1 𝑚𝑚𝐻𝑔 = 133,322 𝑃𝑎 = 0,1333 𝑘𝑃𝑎
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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
BODY
WEIGHT
(VERTICAL)
Shear
Force
Perpendicular
Force
Perpendicular
Force
BODY
WEIGHT
(VERTICAL)
Shear
Force
L’ orientamento assoluto delle superfici di supporto determina la quantità di
Nicola Petrone – Research
on Tissue Integrity - Exposanità 2016
CARICHI Perpendicolare
e di Issues
Taglio
Terminologia di base: componenti di carico
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
Shear
Force
BODY
WEIGHT
(VERTICAL)
Perpendicular
Force
BODY
WEIGHT
(VERTICAL)
Shear
Force
Perpendicular
Force
BACKREST SURFACE
SEAT SURFACE
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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.
Shear Force
BODY
WEIGHT
(VERTICAL)
Perpendicular Force
(pressure)
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Materassi: scivolamento
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Terminologia di base: tensioni LOCALI
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.
(1)
(1)
Pressure
(2)
Pressione su un piano tangente alla
superficie di contatto (esercitata dal
cuscino sulla pelle)
Shear Stress
(2)
Tensioni di taglio causate della pressione e
dall’attrito su un piano tangente alla
superficie di contatto (esercitata dal cuscino
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
sulla pelle).
Terminologia di base : DEFORMAZIONE
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
Axial
Strain
Shear
Strain
Shear Stress
Deformazione Assiale, e Deformazione a Taglio, di un volume unitario
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Tessuti molli all’interfaccia
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Tessuti alle Superfici di Supporto
Undeformed
F perpendicular
F parallel (shear)
Axial
Strain
Shear
Strain
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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
Nicola
– Research
on Tissue
Integrity
- Exposanità 2016
deformazione a taglio
siPetrone
verificano
neiIssues
diversi
strati
di tessuto.
Terminologia di Base
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)
Perpendicular
Force
Shear Strain 
Shear
Force
Axial Strain
Shear Stress 
Tissue Damage Risk

Pressure
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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
Hagisawa, 2005
Delaminazione degli strati della pelle
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Ipotesi: 2o meccanismo dovuto alle tensioni
tangenziali: occlusion vasi sanguigni
E’ più facile bloccare il flusso sanguigno a Taglio
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Oomens, 2013
Ipotesi: 3o danno cellular dovuto alla
deformazione prolungata
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
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Due Meccanismi di evoluzione del Danno
strain
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Oomens, 2013
Due Meccanismi di evoluzione del Danno
strain
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Oomens, 2013
Due Meccanismi di evoluzione del Danno
Occlusione
dei vasi
sanguigni
Cambio del
metabolismo
Accumulo di
prodotti di
scarto
Diminuzione
del pH
strain
MORTE CELLULARE
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Oomens, 2013
Due Meccanismi di evoluzione del Danno
Occlusione
dei vasi
sanguigni
Cambio del
metabolismo
Danno Correlato alla
Deformazione Cellula
Rottura
Membrana
?
Accumulo di
prodotti di
scarto
Distruzione del
citoscheletro
Diminuzione
del pH
strain
MORTE CELLULARE
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Oomens, 2013
Sistemi Modello per lo studio
delle ulcere da decubito
single cell
studies
Tissue engineered
muscle
Model system
Rat model
Oomens, 2013
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
human volunteers
Approcci alla Ricerca
SPERIMENTALE
• Tappeti Pressori
• Sensori di Taglio
SIMULAZIONE NUMERICA
Simulazioni ad elementi
finiti della distribuzione di
pressione e deformazione
• Misure di Temperatura
Umidità e Vapore
• Analisi con RM
Confronto di diversi tipi di
cuscino
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
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
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Il Gradiente di Pressione
“ 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.
Nicola Petrone – Research Issues on Tissue Integrity - Exposanità 2016
Gradiente di Pressione
C5 Spinal Cord Injury Patient sitting on a 7cm Viscoelastic Cushion
La vista 3D può
essere utilizzata
per aiutare a
visualizzare le
transizioni tra alta
pressione e bassa
pressione.
(gradiente)
Bader, 2014
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Study recenti portano ad una nuova curva di rischio
External Pressure
INTERNAL LOCAL
STRAIN/DEFORMATION
Reswick and Rogers, 1976
High Risk
Linder-Ganz et al. Journal
of Biomechanics 2008
Low Risk
time
Oomens, 2013
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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
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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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