Circolazione Extracorporea

Corso Integrato di Malattie Cardiovascolari e
Respiratorie
Le basi della Cardiochirurgia a cuore aperto:
Circolazione Extracorporea; Ipotermia; Monitoraggio
Prof.ssa Marisa De Feo
Storia della Chirurgia Cardiaca
1893 Williams
1910 Carrel
1923 Cutler
1939 Gibbon
1946 Vineberg
1951 Dennis
1954 Hufnagel
1955 Melrose
1955 De Bakey
1956 Lillehei
1960 Shumway
1962 Baiey-Hirose
1963 Liotta
1964 Johnson
1967 Barnard
Sutura lesione traumatica parete ventricolare
I° CABG sperimentale su cane
I° intervento di Valvuloplastica Mitralica
Sperimenta CEC su animali
Applica la tecnica che porta il suo nome
Applicazione Clinica della CEC
I° Impianto protesico aortico (“a palla”)
Introduzione della CARDIOPLEGIA
I° Sostituzione Aorta asc per ANDis
I° Impianto bivalvolare (Mitro-aortico)
Teoria del Trapianto di cuore
Primo by-pass con IMA
Primo inpianto di cuore artificiale nell’uomo
Primo CABG con vena safena autologa
I° Trapianto di cuore
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MONITORAGGIO PARAMETRI VITALI
ELETTROCARDIOGRAMMA
PRESSIONE ARTERIOSA
PRESSIONE VENOSA CENTRALE
EMOGASANALISI
TEMPERATURA CORPOREA
DIURESI
MONITORAGGIO PARAMETRI VITALI
ECG (elettrodi spalla destra e sinistra)
PA (arteria radiale)
PVC ( vena giugulare interna / vena succlavia)
EGA (EAB: PO2, PCO2, HCO3, ABE, PH; Hb, Ht, Na, K, Ca, Glic)
TC ( orofaringea, rettale)
DIURESI ( catetere vescicale)
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Il cervello è particolarmente suscettibile al danno da arresto di
circolo (elevata attività metabolica, riserve limitate): dopo 4-5
min danno irreversibile
Due possibili strategie chirurgiche
 Ipotermia
Circolazione extra corporea
1952 Lillehey e Lewis chiusero un DIA in una
bambina di 5 aa raffreddandola fino a 28° C
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Definizione
La CEC è una metodica che, in cardiochirurgia, è
utilizzata per sostituire in maniera totale o parziale, la
funzione di pompa del cuore e di ematosi del polmone
STORIA DELLA CIRCOLAZIONE EXTRA-CORPOREA
1916 Mc Lean : Scoperta della eparina
1937 Chagraff : Scoperta della protamina
1937 John e Mary Gibbon : Studi sperimentali sulla C.E.C.
1949 Gibbon : Risultati disastrosi su animali di laboratorio
1954 Lillehei : Circolazione crociata controllata “genitori-figli”
1955 Kirklin : Modifica della macchina di Gibbon ed inizio dell’era
della cardiochirurgia a cuore aperto
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COMPONENTI DELLA
CIRCOLAZIONE EXTRACORPOREA





CANNULE
POMPA
OSSIGENATORE
SCAMBIATORE DI CALORE
FILTRI
CANNULE DEL CIRCUITO
• La macchina cuore-polmone viene
collegata al paziente mediante una
serie di cannule flessibili, trasparenti
allestite
in
materiale
plastico
biocompatibile.
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CANNULE DEL CIRCUITO
Resine chimicamente inerti,
polimeri del vinile
(cloruro di polivinile) PVC
+
30-40% di sostanza plastificante:
estere dell’acido ftalico
(che li rende flessibili)
SCELTA DELLE CANNULE
FLUSSO l/m2
Cannula arteriosa
Cannula venosa
Da 1-1,5
10
16-18
Da 2-2,5
18
24-26
Da 3-3,5
22
28-30
Superiore a 3,5
24
32-34
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CANNULE DEL CIRCUITO
Particolare attenzione bisogna porre nella scelta del
diametro dei tubi, che viene fatta tenendo conto di
particolari tabelle stilate sulla base della superfice
corporea dei pazienti: devono aver un calibro non
troppo grande, per ridurre la massa necessaria per
riempire il circuito, ma sufficiente per mantenere
un flusso di perfusione adeguato a pressioni non
elevate senza creare gradienti pressori.
CANNULE DEL CIRCUITO
• L’ incannulazione venosa si esegue attraverso le
vene cave oppure attraverso l’atrio destro. In
casi particolari, come nei reinterventi, si può
incannulare la vena femorale.
• Il sangue venoso viene drenato dalle vene cave o
dall’atrio destro all’ossigenatore per caduta
gravitazionale e per sifonazione. La quantità del
drenaggio dipende dalla pressione venosa
sistemica dalla presenza/assenza di aria e
resistenza nei tubi.
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CANNULE DEL CIRCUITO
• La via di scelta per il rientro del
sangue arterioso nel paziente è quella
attraverso
l’aorta
ascendente.
L’accesso attraverso l’arteria femorale
viene utilizzato in casi particolari come
per i reinterventi, per gli aneurismi
dell’aorta ascendente, per altri
interventi sull’aorta toracica.
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OSSIGENATORE
• Sistema meccanico artificiale che
durante la CEC ha la funzione di
ossigenare
la
massa
ematica
proveniente dal cuore di destra che lo
attraversa
sottraendole
anidride
carbonica.
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OSSIGENATORI
Esposizione Diretta
a gorgogliamento
a membrana
Esposizione Indiretta
e/o
fibre cave
OSSIGENATORI
• Nell’ ossigenatore a bolle l’ossigeno
viene fatto gorgogliare nel sangue. Tale
gorgoliamento diretto pone problemi
di formazione di schiuma, potenziale
causa di embolia gassosa. Per tale
motivo le bolle sono poste a
trattamento antischiuma.
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Svantaggi dell’ ossigenatore a
bolle
• Rapido
consumo
dell’
agente
deschiumante con il passar del tempo
aumenta il rischio di embolia gassosa,
denaturazione delle proteine, emolisi
dei globuli rossi.
OSSIGENATORI
• Nell’ ossigenatore a membrane lo
scambio O2-CO2 tra miscela gassosa
(aria-ossigeno)
avviene
tramite
l’interposizione di una sottile ed estesa
(2-4m2)
membrana
(teflon
o
polipropilene o gomma di silicone)
dotata di micropori di circa 100
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Vantaggi dell’ossigenatore a
membrana
• Gas Transfer Ottimale
• Alta Affidabilità
• Minore Traumatismo sulla Parte
Corpuscolata del Sangue
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SCAMBIATORE DI CALORE
• Lo scambiatore di calore ha il compito di :
1) Mantenere costante la temperatura del
sangue di perfusione e quindi la temperatura
corporea.
2) Raffreddare e/o riscaldare il sangue per
variare la temperatura corporea.
• Questi scambiatori di calore sono costruiti (da
una lamina di metallo) in modo che una parte
dello spazio è riservata al mezzo di
raffreddamento o riscaldamento, cioè l’acqua, e
l’altra al liquido da raffreddare, cioè il sangue.
POMPE
• Durante la CEC la pompa meccanica
ha il compito di sostituire la funzione
del cuore e di muovere il flusso del
sangue nel circuito e nel sistema
vascolare dell’organismo. Serve a
generare un gradiente pressorio.
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POMPE a RULLI
• Gli elementi costitutivi sono lo statore (sistema
a forma di ferro di cavallo), un rotore (rulli
mobili), ed un tratto di tubo (sottopompa).
• I rulli (due cilindri ruotanti posti a 180° uno
dall’altro), azionati da un motore elettrico,
girano nello statore, assicurando l’aspirazione e
la propulsione in senso unidirezionale del
sangue contenuto nel sottopompa per
occlusione dello stesso.
STATORE
RULLO
SOTTOPOMPA
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POMPA CENTRIFUGA
• Utilizzata la prima volta in cardiochirurgia nel
1974, il sangue viene fatto entrare all’apice di
una campana costituita da più coni
sovrapposti, i quali fatti ruotare ad alta velocità
ne determinano una elevata accelerazione. In
conseguenza della viscosità e delle forze di
adesione si determinano nella campana due
zone a diversa pressione: una centrale a bassa
pressione ed una periferica ad alta pressione
da cui viene fatto uscire il sangue. Il
meccanismo di accelerazione e di spinta è
analogo a quello che si verifica in una tromba
d’aria. Apice del cono rovesciato pressione
negativa aspirante, pressione periferica alta da
spazzare via tutto.
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FILTRI
Maglie di nylon con pori di 40-200
• Nell’ossigenatore
(filtra
il
sangue
prima di restituirlo al paziente)
• Nella “reservoir (sangue aspirato e
recuperato al campo operatorio)
• Sulla linea arteriosa (a valle della
pompa)
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“PRIMING”
• Riempimento si intende la quantità e la
qualità dei liquidi necessari per riempire il
circuito .
• In passato veniva effettuato con sangue
eparinizzato compatibile o con sangue
conservato reso incoagulabile con una
soluzione di ACD (citrato).
• I rischi maggiori erano rappresentati
dall’epatite, dall’AIDS, dai danni alla
microcircolazione dell’apparato respiratorio
e degli organi emuntori.
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“PRIMING”
• Attualmente il riempimento utilizzato è :circa
1,5-2 litri di soluzione elettrolitica bilanciata
(Ringer lattato) che rappresenta il 30-35%
del volume ematico del paziente e che
determina una riduzione di circa 1/3
dell’ematocrito di partenza del paziente, si ha
quindi un ematocrito che oscilla tra 20 e il
30% ( che ritornerà nella norma a fine
intervento attraverso la diuresi).
“PRIMING”
• L’ emodiluizione determina:
• 1) una riduzione della viscosità del sangue
• 2) facilita la microcircolazione in ipotermia
• 3) evita l’aggregazione degli eritrociti
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“PRIMING”
Ringer-lattato 5%
+
Eparina 50 mg/l di priming
20 ml priming x Kg di peso corporeo
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EPARINIZZAZIONE
 In condizioni normali il sangue coagula pochi minuti
dopo aver perso il rapporto diretto con l’endotelio
vascolare.
 Pertanto quando esso giunge a contatto con una
qualsiasi delle parti del circuito della CEC,
comincerebbe a coagulare con conseguente diffusione di
emboli nel paziente e blocco completo in breve tempo
della CEC.
EPARINIZZAZIONE
SOMMINISTRAZIONE
Immediatamente prima di collegare il paziente
alla CEC alla dose di 3 mg/Kg.
Per iniezione diretta o in atrio destro o
direttamente in aorta.
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EPARINIZZAZIONE
 Durante la CEC è quindi necessario rendere il sangue
incoagulabile. Pertanto si somministra eparina subito
prima di entrare in CEC, che inibisce alcune reazioni
che precedono l’attivazione del fattore XII e la
formazione di fibrina.
EPARINIZZAZIONE
 3mg/kg = 300 unità prokilo
A fine intervento la coagulazione viene ristabilita
somministrando solfato di protamina alla dose di 1mg
per ogni 100 unità di eparina ( 1 fl di protamina=50 mg)
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Protamina
 va somministrata lentamente perché il complesso
eparina-protamina attiva il complemento e quindi può
dare ipotensione, che può essere attenuata
somministrando calcio.
Stop-CEC
 La circolazione extracorporea va terminata solo
quando: il paziente raggiunge una temperatura
corporea pari a 34-36 °C, il cuore riparte, il polmone si
riespande e ventila.
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“Fisiopatologia”
• Il contatto del sangue con superfici sintetiche
determina una massiva risposta di difesa:
The inflammatory response to
cardiopulmonary bypass
The inflammatory response to cardiopulmonary bypass
• Inizia una potente stimolazione trombotica
con la produzione, il rilascio e la circolazione
di un gran numero di microemboli e di
sostanze con azione vasoattiva e citotossica
con effetto su molti organi e tessuti. Il punto
centrale di questa risposta è rappresentato
dall’ attivazione del complemento da parte
del sistema fibrinolitico.
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The inflammatory response to cardiopulmonary bypass
Complemento
Via classica Ag-Ab
Via alternativa
anafilatossine
C3- C5
Attivazione di GB,GR,PLT e conseguente attivazione
dei sistemi coagulativi, liberazione di citochine.
The inflammatory response to cardiopulmonary bypass
Complemento
C3
rilascio di istamina
Aumento della permiabilità vascolare.
Tachicardia, vasocostrizione coronarica.
C5
att. neutrof
IL-6, IL-8, TNF-α
Riduzione della contrattilità cardiaca.
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The inflammatory response to cardiopulmonary bypass
• IL-6: promozione della sintesi epatica delle proteine
della fase acuta, partecipa al danno
ischemia/riperfusione mediato dai neutrofili.
• IL-8: partecipa al danno miocard. postriperfusione ,
aumentando l’ adesione dei neutrofili al
miocardio.
• TNF-α: la sua liberazione da parte dei miociti può
essere causa di stunning post-CEC.
“Complicanze da CEC”
• Polmonari: polmone “da CEC” – “da STASI”
caratterizzato da un aumento dell’ acqua a livello
extravascolare negli spazi alveolari e peribronchiali,
edema delle cellule alveolari, riduzione del
surfactant,alterazione dell’equilibrio ventilazioneperfusione.
• Renali: riduzione del flusso e della diuresi.
• Cerebrali: ictus o emorragia, da alterato flusso o
microembolie.
• Ematologiche: sanguinamento post-operatorio o CID
da diminuzione dei fattori della coagulazione dei
globuli rossi (conseguenza emodiluizione) e riduzione
delle piastrine.
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“Protezione miocardica”
• E’ il termine con il quale ci si riferisce alle
strategie e alle metodiche utilizzate per
attenuare o prevenire, le disfunzioni
miocardiche post-ischemiche che si verificano
durante o dopo gli interventi sul cuore.
STORIA DELLA PROTEZIONE MIOCARDICA
1950 Bigelow: “ipotermia” forma di anestetico ,applic. sui cani
1955 Melrose, Bentall : concetto di arresto reversibile nei cani
1959 Shmway: ipotermia locale.
1964 Bretshneider : arresto del cuore con una soluzione con poco
sodio e calcio-libero, procaina.
1964 Sondergaard : adotta la soluzione cardioplegica di
Bretshneider nella pratica clinica.
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 La maggior parte degli interventi a cuore aperto
richiedono l’arresto del cuore
1) clampaggio aortico
2) ipotermia miocardica
3) cardioplegia
Protezione miocardica
 Tali strategie/metodiche permettono un arresto in
diastole ed una contemporanea protezione delle
miocellule contro il rischio anossico indotto dall’arresto
della perfusione coronarica.
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Protezione miocardica
 L’arresto ischemico ottenuto con il semplice clampaggio
aortico fu introdotto da Cooley.
 Nelle cellule miocardiche private dell’apporto ematico
cessa il metabolismo aerobio, si ha un rapido
depauperamento delle riserve energetiche blocco delle
pompe ioniche di membrana cessa l’attività elettromeccanica del cuore , la carenza di energia comporta
anche l’incapacita da parte delle cellule a sequestrare
calcio nel reticolo sarcoplasmatico con conseguente
abnorme aumento del calcio intracellulare e contrattura
spastica del cuore ( Stone heart ) .
Protezione miocardica
 La durata del periodo di reversibilità nell’ ischemia
normotermica non è ben definità, ma si ritiene che non
superi i 38-40 minuti dopo i quali si verificano 3 tipi
diversi di danno cardiaco ( dan. ischemico/riperfusione)
1) miocardio “stunning”
2) apoptosi
3) infarto miocardico
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Protezione miocardica
 Molti sono gli studi che dimostrano che i principali
mediatori del danno reversibile o irreversibile da
ischemia/riperfusione sono:
1) abnormi concentr. intracellulare di calcio
2) ROS ( reactive oxygen species)
3) NO
4) il progressivo depauperamento del sistema
antiossidante ( GSH/GSSG, NADPH/NADP+ )
Protezione miocardica
 Shumway per consentire periodi più lunghi di ischemia
(senza danni irreversibili) , nel 1959 propose un modello
d’ ipotermia locale miocardica, mediante irrigazione del
pericardio con soluzione salina fredda (+4°C).
Con l’ipotermia si riduce l’attività metabolica e si ha
una consistente diminuzione della domanda di ossigeno
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L’attività metabolica si raddoppia o si
dimezza per ogni 10 °C in più o in
meno di temperatura
Ipotermia
Ipotermia moderata: fino a 28 °C
Ipotermia intermedia: da 28 °C a 20 °C
Ipotermia profonda: sotto i 20 °C
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IPOTERMIA DI CAVITA’
O
TECNICA DI SHUMWAY
(1959)
IPOTERMIA TOPICA DEL
MIOCARDIO
• Alcune metodiche di ipotermia associano la
tecnica del raffreddamento sistemico
mediante CEC con l’ipotermia epicardica.
• L’ipotermia topica del miocardio si ottiene
con l’immissione e l’irrigazione continua di
soluzione fisiologica fredda (4 °C) nel sacco
pericardico.
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IPOTERMIA PROFONDA +
ARRESTO ED ESANGUINAMENTO
TOTALE
18 °C T. rettale
15 °C T. naso-faringea
Protezione barbiturica
(Farmotal 500mg + Gardenale 100mg + Solumedrol 1 g)
Applicazione di ghiaccio sulla testa
Esanguinamento del paziente
(Chiusura linea arteriosa e drenaggio venoso)
IPOTERMIA PROFONDA +
ARRESTO ED ESANGUINAMENTO
TOTALE
Ricircolo a circuito chiuso
( Ossigenazione – evitare aggregati e/o coaguliriscaldamento del sangue a 28 – 30 °C)
Alla riperfusione
Apertura della linea arteriosa
Flussi 0
Flussi ottimali (2.2 – 2.4 1 x m2 )
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CARDIOPLEGIA
• La cardioplegia, ovvero la “quiescenza
elettro-meccanica”, riduce il consumo di
ossigeno a livelli talmente bassi che la
produzione di energia spontanea è
sufficiente a garantire i processi
essenziali al mantenimento della vitalità
cellulare.
• Inibendo il passaggio di Na ++ e K +
attraverso la membrana plasmatica
• Bloccando il passaggio transmembrana
del Ca ++
• Inibendo la liberazione del Ca ++ dalle
vescicole del RE
• Rallentando il passaggio del Ca++ nelle
vescicole e nei mitocondri al termine
della contrazione
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CARDIOPLEGIA
• La
combinazione
cardioplegia-ipotermia
costituisce la protezione miocardica ideale.
( si ripropone di ridurre al massimo il metabolismo cardiaco e il
fabbisogno di ossigeno)
Assicura un cuore fermo, esangue e rilasciato,
condizioni ottimali per un accurato intervento ch.
CONSUMO DI O2 A LIVELLO
CARDIACO
• Condizioni normali
• Fibrillazione ventricolare
6,5 – 9 ml/100 gr/m’
4–5 “ “
“ “
• Perfusione coronarica
a cuore battente
• Arresto potassico
4“ “ “
“ “
1,2 – 2,2 “ “ “
“ “
• Cardioplegia ipotermica 15 °C
0,2 “ “ “
“ “
• Cardioplegia ipotermica 5 °C
0,1 “ “ “ “ “
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CARDIOPLEGIA
• Le soluzioni cardioplegiche contengono
una grande varietà di agenti chimici che
sono disegnati all’arresto del cuore
rapidamente in diastole. Esse si dividono
in 2 tipi:
1)cristalloidi
2)ematiche
CARDIOPLEGIA
cristalloidi
intracellulare
Basse o assenti concentrazioni
di Ca e Na
extracellulare
alte concentr
di Ca, Na e Mg
Entrambi i gruppi hanno concentrazioni di potassio minori di 40mmol/L,
contengono bicarbonato e sono osmoticamente bilanciate. E sono
somministrate a 10 ml/kg in circa 3 minuti
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CARDIOPLEGIA
ematica
fredda
calda
sangue è ottenuto dalla CEC +
sol.Cristal. con destros. fosfato
citrato, bicarbonato, Potassio
normoter.
Entrambi i gruppi hanno concentrazioni di potassio minori di 40mmol/L
SOLUZIONE ST. THOMAS
1Fiala da 20 ml
mMol/20ml
• Procaina
• KCl
• MgCl esaidrato
mMol 1
mMol 15.96
mMol 15.99
Diluita in
• 1000 ml di Ringer-lattato
• 1 fl di KCl=10 mEq/l
• 4 fl di NaHCO3 = 40 mEq/l
10ml x Kg
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Vie e metodi di somministrazione della
cardioplegia
VIA ANTEROGRADA :
- BULBO AORTICO
- INCANNULAZIONE OSTI CORONARICI
VIA RETROGADA :
- INCANNULAZIONE SENO VENOSO
CORONARICO
• Modalità di infusione:
CONTINUA
INTERMITTENTE
CARDIOPLEGIA
• Tutti i metodi sembrano essere ottimali, una
comparazione fra di essi risulta difficile perché molti
sono i fattori “confondenti” che intervengono come:
•
•
•
•
•
La composizione della soluzione
La temperatura
La durata dell’ infusione
La pressione d’ infusione
La durata e la complessità dell’ intervento ch.
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Operazioni in CEC 1




Sternotomia
Pericardiotomia
Esposizione del cuore
Confezione delle borse di
tabacco
 Eparinizzazione
 Incannulazione e connessione
alla CEC
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





Operazioni in CEC 2
Inizio CEC
Raffreddamento
Clamp aortico
Cardioplegia
Disconnessione del ventilatore
Inizio della procedura
Operazioni in CEC 3
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Operazioni in CEC 4
 Dearing
 Release clamp aortico
 Controllo del ritmo cardiaco
 sinusale
 fibrillazione ventricolare: dc shock
 Asistolia: pace maker
 Assistenza in CEC
 ripresa della funzionalità cardiaca
 riscaldamento
Operazioni in CEC 5
 Progressivo svezzamento dalla CEC
 Decannulazione
 Protamina
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Operazioni in CEC 6
 Drenaggi
 Filo elettrodo da pace maker temporaneo
 Sintesi della sternotomia
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