CC BY
17
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ГИПЕРБАРИЧЕСКОГО РАСТВОРА, ВВОДИМОГО ЧЕРЕЗ СПИНАЛЬНЫЕ ИГЛЫ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ И КАЛИБРОВ
Р. Е. Лахин, А. В. Щёголев, Е. II. Мороз, Г. Л. Герасимов, К. Н. Храпов С. В. Бокатюк
EXPERIMENTAL STUDY ОГ THE HYDRO DYNAMICS ОГ HYPERBARIC SOLUTION ADMINISTRATED THROUGH SPINAL NEEDLES ОГ DIFFERENT TYPES AND SIZES
R. E. Lakhin, A. V. Shchegolev, E. N. Moroz, G. L. Gerasimov, K. N. Khrapov, S. V. Bokatyuk
Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова, г. Санкт-Петербург
П|юведено экспериментальное исследование гидродинамики потоков гипербарического раствор при равных режимах введения через спинальные иглы разл ичных типов и калибров. Выявлено, что для обеспечения ламинарной модели потока допустимы скорости введения не более 1 мл/мин. Скорости 1-3 мл/мин приводили к появлению турбулентности, связанной с гидродинамической неустойчивостью. Превышение скорости введения более 3 мл/мин формировало турбулентность, связанную с утолщением струйного пограничного слоя. Эти гидродинамические закономерности не зависели от типа и калибров снинальных игл. Характер гидродинамики также изменялся в зависимости от калибра и типа спиналь-ных игл. При установленных равных скоростях введения раствор, вводимый через более тонкие иглы, распространялся дальше по сравнению с раствором, вводимым через более толстые иглы, а раствор, вве-дённый через иглы типа Квинке, проникал дальше но сравнению с раствором, введённым черезиглы типа Шпротте.
Ключевыеслоеа\ егшпальмые иглы, гпнербарпческий раствор, гидродинамика, унилатеральная анестезия.
The hydrodynamics of hyperbaric solution streams through spinal needles of types and sizes by different administration routes was experimentally studied. Administration rates of not more than 1 ml/min were found to be allowed to ensurea laminarstrcam model. The rates of 1-3 ml/min led to the appearance of hydrodynamic instability-associated turbulence.The rate of over3 ml/min gave rise tot urbule nee associated with the thickened jei interface. These hydrodynamic regularities did not depend on the type and sizes of spinal needles. The hydrodynamic pattern also varied with their types and sizes. At the established equal administration rates, the solution injected through the finer needles spread further than that administered through the thicker needles and the solution injected through the Quincke needles penetrated further than that administered through the Sprotte needles.
Key words: spinal needles, hyperbaric solution, hydrodynamics, unilateral anesthesia.
На распространение анестетика в субарахнои-дальном пространстве влияет большое количество факторов. Скорость введения, тип и калибр снинальных игл относятся к группе технических приёмов. используемых при выполнении пункции |5|. При проведении селективной сниналыюй анестезии с использованием низких доз местного анестетика эти технические приёмы становятся особенно важными. Поскольку в субарахноидалыюм пространстве расстояние между правыми и левыми корешками составляет всего 10-15 мм. ведущим принципом, обеспечивающим избирательное подведение анестетика к корешкам одной сто|х>ны, является создание ламинарного потока. С>то под-
тверждают многие исследователи, которые пришли к выводу о приоритете «маленькой дозы и медленной скорости введения» 14. 9). Однако однозначно рекомендованной скорости введения анестетика не существует. В проведённых исследованиях скоро-сти введения различаются от 0.2 до 20 мл/мин 12. 6. 8. 9. 11]. При этом все исследователи в той или иной степени получают одностороннюю еппналь-ную анестезию.
Такая же ситуация существует и с использованием игл различных типов. Ещё в 1961 г. М. А. ТапавкЖик показал более высокую частоту односторонней сниналыюй анестезии с использованием иглы с боковым отверстием, чем с прямым
отверстием: 67 против 30% пациентов соответ-ствешо 110 ]. В то же время другие исследователи добиваются односторонней сниналыюй анестезии и при применении игл тина Квинке |71.
Цель исследования - оценка гидродинамики потоков гипербарического раствора при разных режимах введения через спинальные иглы различных типов и калибров.
Материалы и методы
Исследование проводили на прямоугольном макете «аквариум» габаритом 155 х 55 * 85 мм с миллиметровой разметкой и боковым отверстием па глубине 25 мм. Боковое отверстие требовалось для создания условий изучения гидродинамики погруженной струи гипербарического раствора. Изучали ноток жидкости в виде 8% раствора глюкозы, окрашенного м ein леновым синим. Температуры фонового раствора в аквариуме и вводимого окрашенного раствора были одинаковыми. Исследовали скорости введения окрашенного гипер-барического раствора 0.25; 0.5; 1; 1,5: 2; 2,5:3; 3,5; 4; 5; 8; 10 мл/мин. Введение окрашенного раствора осуществляли с помощью unipпаевого насоса (Сомраа S.). Для определения влияния типов и калибров спинальных игл использовали спинальные иглы типов Квинке (ВBraun) и Широтте (Piayunk) калибров 22G. 25G, 27G. Для формирования единых условий создания горизонтального потока угол введения игл типа Шпротте был скорректирован на 45".
Результаты фиксировали в единых условиях с помощью фотографического метода. В условиях серийной фотосъёмки в ходе введения регистрировали наиболее стабильную форму цветною потока для выбранного диаметра и типа иглы при заданной скорости. Схема струи с разделением на участки.
предложенная Г. 11. Абрамовичем, изображена на рис. 1 111. Эта схема в настоящее время общепри-знана Она остается одинаковой при ламинарном и турбулентном режимах течения. При отличии плотности вводимой жидкости (8% гиисрбаричс-ский раствор глюкозы) ноток отклоняется иод действием гравитационных сил.
С помощью программы А<1оЬе РЬоКкЬор на основе имеющейся на аквариуме разметки накладывали миллиметровую сетку и выявляли координаты проекции верхней границы погруженной струи, поскольку именно она определяет распределение раствора. Находили длину потока, точку снижения от горизонта оценивай! его структуру.
Результаты и обсуждение
В результате проведённого экспериментального исследования показано, что в зависимости от скорости введения структура потока менялась от ламинарного до турбулентного. На рис. 2 и 3 представлено, как изменяются форма и характер струи при увеличении скорости введения гипербарического раствора. При медленных скоростях введения (0.25-1 мл/мин) преобладали гравитационные силы, поэтому визуализирован! падение анестетика но траектории, характерной для каждой иглы и скорости введения. Толщина пограничного слоя при скоростях введения 0.25-1 мл/мин невелика, и модель потока выглядит ламинарной.
При скоростях 1-3 мл/мин существенную роль в струйном течении играла гидродинамическая неустойчивость приводящая к нарастанию колебании вниз по потоку и усилению турбулентности.
При увеличении ско|юсти введения более 3 мл/мин числа Рспнольдса нарастали, и появление турбулентности, кроме гидродинамической неустойчивости, становилось связанным с у толще-
переходное
Верхняя граница ст
Пограничный C.TOI
7ZZZZZZZL
ось струи
лро струи
222220
сечение
ночольнор зона
основная зона
Рис. 1. Схема струи с разделением на участки по Г. II. Абрамовичу [ 11
220 Квинке
01234$вта«10
Рис. 2. Фотографии потоков гипербарического раствора при различных скоростях введения через иглы типа Квинке разных калибров.
Буквой А показан пример ламинарного падения гипербарического расгвора под действием сил гравитации. Буквой Г> обозначено появление турбулентности на фоне гидродинамической неустойчивости потока. Буквой В покздан пример турбулентноегн, формирующейся за счёт утолщения струйного пограничного слоя
012545в7^®10 0 1 2 3 4 в • Т 8_»10
Рис. 3. Фотографии потоков гипербарического расгвора при различных скоростях введения через иглы тина Шпротте разных калибров.
Буквой А показан пример ламинарного падения 1 ипербарнческого раствора под действием сил гравитации. Буквой Б обозначено появление турбулентности на фоне гидродинамической неустойчивости потока. Буквой В покаган пример турбулентности, формирующейся за счёт утолщения струйного пограничного слоя
25в Квинке
2Ю Квинке
22в Шпротте
ни см струйного пограничного слоя, состоящего из увлеченных частиц окружающей водно») среды и заторможенных частиц самой струи. Подобное усиление турбулентности приводило, с одной стороны, к увеличению поперечного сечения, а с другой - к истончению потенциального ядра струи.
Такие гидродинамические закономерности прослеживали как для игл типа Квинке, так и игл тина Шлроттс.
Скорость введения являлась самой важной величиной, определяющей скорость потока на выходе из иглы. Обращал внимание тот факт, что практически только ско|юсть 0.25 мл/мин обеспечивала падение раствора под действием сил гравитации. Все остальные режимы введения имели скорости на выходе из иглы, доминирующие над силами фа-витации и приводящие к формированию той или иной траектории движения. Анализ длины потока, развивающеюся при введении окрашенного гипер-баричсского раствора, показал, что при использовании любых типов игл превышение скорости более 1 мл/мин приводило к формированию высокой кинетической энергии струи. Такой паритет для всех игл объясняется характерной особенностью турбулентной струи, исходящей из длинной тонкой иглы,обусловленной малой величиной поперечных составляющих скорости в любом сечении иглы но сравнению с продольной скоростью. Протяжённость потока при скоростях более 1 мл/мин превышала ширину субарахно и дал ьного пространства (20-25 мм) (табл. 1).
Визуализируемая картина потоков показывала, что на участке первых 20 мм при всех скоростях введения находилась компактная часть ядра струи, а турбулентное промешивание происходи,!о на более отдалённых участках. Полученные данные позволяют предположить, что в субарахноидальном пространстве, имеющем небольшие поперечные
Длина потока, определяем при различных ре;
размеры и внутренние структуры, будут происходить более сложные механизмы возникновения турбулентности, чем простой поток затопленной струи, движущейся без препятствий. Это предположение согласуется с мнением М. С. БегреН 101 и О.Епк |4].
Само увеличение скорости введения приводило к нарастанию скорости потока на выходе из иглы. При одинаковых условиях (тип. калибр иглы) более высокие скорости приводили к более длинной и более высокой траектории потока (рис. 1. 2).
Диаметр поперечного сечения игл являлся определяющим в установлении скорости потока. При установленных равных скоростях введения более тонкие иглы обеспечивали более высокую скорость на выходе из иглы, вследствие этого окрашенный раствор распространялся дальше (табл. 1).
Конструкции используемых в эксперименте игл различны, поэтому при равных диаметрах игл и скоростях введения форма и длина потока различаются. Круглое отверстие иглы типа Квинке, неположенное но оси вводимого раствора, приводило к более высокой кинетической энергии струи на выходе из иглы. В данном исследовании протяжённость потока у игл тина Квинке была больше (табл. 1). Иглы типа Шнротге имеют отверстие, расположенное на боковой стенке иглы и овальную форму, размером превышающую диаметр иглы. Кроме того, кончик иглы Шпроттс сформирован таким образом, что раствор, сталкиваясь с препятствием, через боковое окно направляется под углом 45-50". Эти особенности приводят к нарастанию числа Рсйнольдса и снижению кинетической энергии на выходе из иглы. Из рис. 1 и 2 видно, что компактная часть струи у игл типа Шпроттс была меньше и турбулентность возникала раньше, чем у игл типа Квинке. По снижение кинетической энергии приводило и к меньшей скорости потока на выходе из
Таблица 1
но верхней границе струи, пах введения (мм)
Скорость 22 Квикке 25 Квижв 27 Квинке 22 Шпротте 25 Шпротте 27 Шпротте
0,25 мп/мин 4 5 5 2 2 2
0,5 мп/мим 10 15 5 9 10
1 мл/мии 17 15 20 16 15 19
1,5 мп/мим 25 30 40 25 30 40
2 мл/мии 45 50 60 35 45 55
2,5 мл/мни 65 100 более 100 45 65 90
3 мл/мии 75 более 100 более 100 50 55 95
3,5 мл/мин более 100 более 100 более 100 70 90 более 100
4 мл/мин более 100 более 100 более 100 50 более 100 более 100
5 мл/мин более 100 более 100 более 100 90 более 100 более 100
3 мл/мин более 100 более 100 более 100 90 более 100 более 100
10 мл/мин более 100 более 100 более 100 более 100 более 100 более 100
иглы и более короткой длине потока. Ото особенно было заменю при скоростях 0,5-3 мл/мни. Увеличение скорости более 5 мл/мин у всех типов и калибров игл приводило к образованию высокой скорости потока на выходе из иглы, выраженной турбулентное™ и протяжённости потока более 100 мм. превышающей размеры аквариума
Ещё одним значением, демонстрирующим преобладание гравитационных сил или кинетической энергии, является точка опускания верхней |ра-ннцы струи ниже горизонтальной линии. Для игл типа Квинке это является важным фактором, обеспечивающим преимущественное распространение анестетика в одностороннем направлении. Полученные данные свидетельствовали, что при введении раствора через иглу типа Квинке кинетическая энергия выходящего потока выше. При анализе расстояния, которое проходил поток, пока силы грави-тации не снижал и ею ниже горизонтальной линии, также прослеживалась зависимость и от скорости введения, и от калибра сиинальных игл (табл. 2).
Скорость введения для игл калибров 22С, 25С в целях снижения потока ниже горизонтальной линии под действием гравитационных сил в пределах 20 мм составляла 3-4 мл/мин. При увеличении скорости происходило быстрое увеличение дальности потока. Иглы калибром 21 С, охарактеризовали себя как иглы, обеспечивающие высокую скорость на выходе даже при небольших скоростях введения. Точка отрыва в пределах 20 мм у иглы калибром 27С типа Квинке определялась при максимальной скорости 2 мл/мин, а у иглы калибром 21 С, типа Шнротте- прискорости 3 мл/мин.
Таким образом, проведённое исследование позволило визуально оценить изменение формы и характера потока гипербаричсского детвора в зави-симости от скорости его введения, типа и калибра си и нал ыю и иглы.
Точка снижения от горизонта, опр при различных ре>
Для обеспечения действия только гравитационных сил требуются очень медленные скорости введения 0,25 мл/мин и меньше. При практическом применении вручную вводить раствор в су-бар ахноид ал ьное пространство с такой скоростью практически невозможно. Скорости введения 0,5-1 мл/мин обеспечивают преобладание гравитационных сил, сохраняющих преимущественно ламинарную модель потока. При ско|ххлях 1-3 мл/мин основную роль в появляющейся турбулентности играет гидродинамическая неустойчивость, приводящая к нарастанию колебаний вниз по потоку. При превышении скорости введения более 3 мл/мин представлена классическая картина развития турбулентности, связанной с утолщением струйного пограничного слоя. Такие закономерности выявили для всех типов и калибров сиинальных игл.
Иглы Широтте в связи с особенностями их конструкции приводят к более раннему возникновению турбулентности. Однако скорость потока на выходе из иглы 111 пропс меньше, чем из иглы тина Квинке, что подтверждается в большей степени преобладанием гравитационных сил: раннему снижению ниже уровня горизонта и бал ее короткой протяжённости потока.
Выводы
1. Для обеспечения истечения шнербаричс-ского раствора и падения его только под действием гравитационных сил без промешивания раствора необходима скорость введения медленнее 0.25 мл/мин. Гравитационные силы, сохраняющие преимущественно ламинарную модель потока, преобладают при скоростях введения 0.5-1 мл/мин. Скорости 1-3 мл/мин приводят к появлению турбулентности, связанной с гидродинамической неустойчивое лью. Превышение скорости введения
Таблица 2
ляемая но верхней границе струи, !ах введения (мм)
Скорость 22 Квиим 25 Киикке 27 Каиже 22 Шпротте 25 Шпротте 27 Шпротте
0,25 мпЛ-шн 1 1 1 1 1 1
0,5 мл/мин 2 2 3 1 1 2
1 ьст/мин 4 5 7 2 3 3
1,5 мл/мин б 8 11 3 4 8
2 мл/млн г 10 16 4 5 12
2,5 мл/мин 10 13 40 5 6 16
3 МЛ/МЛН 13 17 50 6 6 18
3,5 мл/мин 17 19 более 100 7 8 45
4 мл/млн 19 25 более 100 13 40 45
5 мл/мим 85 95 более 100 35 60 80
3 млУмин более 100 более 100 более 100 45 70 более 100
10 мл/мни более 100 белее 100 более 100 более 100 более 100 более 100
более 3 мл/мин формируеттурбуленпюсть, связанную с утолщением струйного нограни'пюго слоя. Эти гидродинамические закономерности не зависят от типа и калибров снинальных игл.
2. Увеличение скорости введения раствора приводит к повышению скорости потока на выходе из иглы и нарастанию дальности потока.
3. Калибр снинальных игл влияет на скорость потока. При установленных равных скоростях введения раствор, вводимый через более тонкие иглы, распространяется дальше раствора, вводимого через более крупные иглы.
4. Тин иглы оказывает влияние на структуру и характер потока. Кинетическая энергия потока иглы типа Шпротте меньше, что подтверждается в большей степени преобладанием гравитационных сил: раннему снижению ниже уровня горизонта и более короткой протяжённости потока. Однако в связи с особенностями конструирования игл Шпротте турбулентность потока возникает раньше, чем при использовании аналогичной но калибру и режиму введения иглы Квинке.
ДЛЯ КОРРЕСПОНДЕНЦИИ:
Военно-медицинская акшкмия им. С. М. Кирова
194044. /. Cantan -Петербург., ул. Лебедева, д. (>.
Тел./факс: 8 (812) 329- 71-21.
Лахин Роман Евгеньевич
кандидат медицинских наук, старший преподаватель кафедры анесте.аюлогии и реаниматологии. E-mail: doctor- lahin Щап dex.ru
Щёголев Алексей Валерианович
доктор медицинских наук, начальник кафедры анеете.шаюгии и реаниматологии. E-mail: schegolevti4nail.lanck.net
Мороз Елена Николаевна
afxpi анестезиолог -реаниматолог клиники анестезиологии и реаниматологии.
Герасимов Геннадий Львович
кандидат .медицинских наук, доцент кафедры анеапезиологии и реаниматологии.
Храпов Кирилл Николаевич
доктор медицинских наук, ¿кщетп кафедры анеапезиологии и реаниматологии.
Пока тюк €е/#сй Викторович
кандидат .медицинских наук, помощник начальника клшшки анестезиологии и
реани.матшогии по лечебной работе. Е- mail: bokatyuk @а nesthimeda. ru
Литература
1. Aôpa.MOBHH P. H. Teopmi TypôyjioHThu x crpvii. -M.: IbcH3;taT, 1984.- 715c.
2. Acef II.. Fl-Kasaby A.. Ornera M. et al. Optimal dose of hy-
perbaric bupivacaine 0.5% for unilateral spinal anesthesia during diagnostic knee arthroscopy // Local Reg. Anesth. - 2010. - Vol.3.-P.85-91.
3. Casati A., Fanelli Ci.. Cappelteri G. et al. Does speed of intrathecal injection affect the distribution of hyperbaric bupivacaine? // Br. J Anaesth. - 1998. - VoL 81. -P. 355-357.
4. Enk D. Unilateral spinal anaesthesia: gadget or tool? // Curr. Op. Anaesthesiology. - 1998. - Vol. 11. - P. 511-515.
5. GreeneN. M. Distribution of local anesthetic solutions with-
in the subarachnoid space // Anesthesia and Analgesia. -1985. - Vol. 64. - P. 715-730.
6. Kuusniemi K. S. A low dose of plain or hyperbaric bupiv-
acaine for unilateral spinal anaesthesia// Reg. Anesth. -2000. - Vol. 25. - P. 605-610.
7. Mi ja Y., Yong S.. Seung W. K. et al. Unilateral spinal anes
thesia using a 26-gauge quincke spinal needle // Korean J. Anesthesiol. - 2004. - Vol. 47, Ms 6. - P. 5-9.
8. Massig C. Dosis- und lageabhEngigkeit unilateraler spinal-
ansst hesien inaugural-dissertât ion zur eriangungdes doctor medicmae. - 2005. - P. 85.
9. Serpell M. Ci., Gray YV. M. Flow dynamics through spinal needles // Anaesthesia. - 1997. - Vol. 52. -P 229-236.
10. Tanasichuk M. A. Schultz F.. A. Matthews J. II. et al. Spinal hemianalgesia: an evaluation of a method, its applicability, and influence on the incidence of hypotension // Anesthesiology. - 1961. - Vol. 22. - P. 74-85.
11. Veering B. et al. Spinal anaesthesia with 0.5% hyperbaric bupivacaine in elderly patients: effects of duration spent in the sitting position //' Br. J. Anaesth. - 2001. - Vol. 87. -P. 738-742.
