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Fluid and Electrolytes Review

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Fluid  and  Electrolytes  

Review  

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Topics  

•  Body/fluid  compartments  •  Body/fluid/electrolyte  changes  •  Fluid/electrolyte  therapy  •  Electrolyte  abnormali:es  in  specific  disease  states  

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BODY/FLUID  COMPARTMENTS  

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Body  compartments  in  health  and  disease  

WATER  (60%)  

FAT  (25%)  

PROTEIN  (14%)  

WATER  (72%)  

FAT  (15%)  

PROTEIN  (12%)  

WATER  (70%)  

FAT  (23%)  

PROTEIN  (6%)  

CARBO  +  OTHER  (1%)  

NORMAL   STARVATION   CRITICAL  CARE  

WATER  (55%)  

FAT  (30%)  

PROTEIN  (14%)  

OBESE  

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Compute  fluids  of  a  70  kg  person  

•  TBF=70kg  x  60%  =  42L  (total  body  fluid)  –  ECF=70kg  x  20%  =  14L  (extracellular  fluid)  –  ICF=70kg  x  40%  =  28L  (intracellular  fluid)  

•  Total  plasma  volume  =  70kg  x  5%  =  3.5L  •  Total  blood  volume  (hct=38)  =  5.6L  

–  Total  inters::al  fluid  =  14L  –  5.6L  =  8.4L  •  Computa:on  of  usual  fluid  requirement  per  day:    

–  30  ml/kg  body  weight  (e.g.  70  kg)  =  1.5  to  2.5  L/day  (2.1  liters  per  day)  

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How  to  compute  for  total  blood  volume  

 

– Plasma  volume  is  5%  of  actual  body  weight  – Weight=70  kg;  hematocrit  =  38  – Total  plasma  volume  =  5%  x  70kg  =  3500  ml  – Total  blood  volume  =  3500ml  x  (100/[100-­‐38])  – TBV  =  3500  ml  x  (100/62)  =  3500ml  x  1.61  – Total  blood  volume  =  5645  ml  or  5.6  liters  

 

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BODY/FLUID/ELECTROLYTE  CHANGES  

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The  circula:on  Blood  Volume  in  total  

circula:on  (5.6L):  70kg  male  •  Systemic  circula:on:  84%  

(4.7L)  –  Arteries:  13%  (0.7L)  –  Arterioles  and  capillaries:  7%  

(0.4L)  –  Veins,  venules,  venous  

sinuses:  64%  (3.6L)  •  Heart  and  Lungs:  16%  (0.9L)  

–  Heart  :  7%  (0.4L)  –  Pulmonary  circula:on:    9%  

(0.5L)  

Reference:  Chap  14:  Guyton’s  textbook  of  physiology  

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The  circula:on  Vessel   Cross  secWonal    

area  (cm2)  Aorta   2.5  Small  arteries   20  Arterioles   40  Capillaries   2500  Venules   250  Small  veins   80  Venae  cavae   8  

Reference:  Chap  14:  Guyton’s  textbook  of  physiology  

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Normal  routes  of  water  gain  and  loss  at  room  temp  (=230C)  

Water  intake   ml/day   Water  loss   ml/day  Fluid     1200   Insensible   700  In  Food   1000   Sweat     100  Metabolically    produced    from  food  

300   Feces   200  

Urine   1500  Total     2500   2500  

From:  Berne  R,  ed.  Physiology  5th  ed.  St.  Louis,  Missouri:  Mosby  2004:  p.  662.  

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Posi:ve  ions  Electrolyte   Extracellular  

mEq/L  Intracellular  

mEq/L  FuncWon  

Sodium   142   10   •  Fluid  balance  •  Osmo:c  pressure  

Potassium   5   100   •  Neuromuscular  excitability  

•  Acid  base  balance  Calcium   5   -­‐   •  Bones  

•  Blood  clohng  Magnesium   2   123   •  Enzymes  Total   154   205  

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Nega:ve  ions  Electrolyte   Extracellular  

mEq/L  Intracellular  

mEq/L  FuncWon  

Chloride   105   2   •  Fluid  balance  •  Osmo:c  pressure  

Bicarbonate   24   8   •  Acid  base  balance  Proteins   16   55   •  Osmo:c  pressure  Phosphate   2   149   •  Energy  storage  Sulfate   1   -­‐   •  Protein  

metabolism  Total   154   205  

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Osmolality  

•  Normal  cellular  func:on  requires  normal  serum  osmolality  

•  Water  homeostasis  maintains  serum  osmolality  •  The  contribu:ng  factors  to  serum  osmolality  are:  Na,  glucose,  and  BUN  

•  Sodium  is  the  major  contributor  (accounts  for  90%  of  extracellular  osmolality)  

•  Acute  changes  in  serum  osmolality  will  cause  rapid  changes  in  cell  volume  

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How  to  compute  for  plasma  osmolality  

Osmolality  =   2  x  [Na]  +  [glucose]/18  +  [BUN]/2.8  

Na  =  140  mmol/L    Glucose  =  110  mg/dL  BUN  =  20  mg/dL  

Osmolality  =  (2x140)  +  (110/18)  +  (20/2.8)  

Osmolality  =  280  +  6.1  +  7.1  

Osmolality  =    293.2  mmol/L  

Division  of  glucose  and  BUN  by  18  and  2.8  converts  these  to  mmol/L  

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Regula:on  of  sodium  and  water  balance  

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An:-­‐diure:c  hormone  

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Aldosterone  

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ANH  

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ELECTROLYTE  ABNORMALITIES  

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Hyponatremia  VOLUME  STATUS  

HIGH   NORMAL   LOW  

Increased  intake    

Post-­‐opera:ve  ADH    Secre:on  

 Drugs  (diure:cs)  

 

Hyperglycemia  

é  Plasma  lipids/proteins  

SIDH    

Water  intoxica:on    

Diure:cs  

ê  Sodium  intake  

GI  losses    

Renal  losses    

Primary  renal  disease  

Schwartz’  Principles  of  Surgery  10th  ed;  G.  Tom  Shires  III  

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Hypernatremia  VOLUME  STATUS  

HIGH   NORMAL   LOW  

Iatrogenic  sodium    administra:on  

 Mineralocortocoid  

excess    

Aldosteronism    

Cushing’s  disease    

Congenital  adrenal  hyperplasia  

Non-­‐renal  water  loss    

Skin,  GI    

Renal  water  loss    

Renal  disease    

Diure:cs    

Diabetes  insipidus  

Non-­‐renal  water  loss  

Skin,  GI    

Renal  water  losses    

Renal  (tubular)  disease    

Osmo:c  diuresis    

Diabetes  insipidus    

Adrenal  failure  

Schwartz’  Principles  of  Surgery  10th  ed;  G.  Tom  Shires  III  

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Clinical  Manifesta:ons  Body  System   Hyponatremia   Hypernatremia  

Central  nervous  system  

Headache,  confusion,  hyperac:ve  or  hypoac:ve  deep  tendon  reflexes,  seizures,  coma,  é  intracranial  pressure  

Restlessness,  lethargy,  ataxia,  irritability,  tonic  spasms,  delirium,  seizures,  coma  

Musculoskeletal   Weakness,  fa:gue,  muscle  cramps/twitching  

Weakness    

Cardiovascular   Hypertension  and  bradycardia  if  ICP  increases  

Tachycardia,  hypotension,  syncope  

Tissue   Lacrima:on,  saliva:on   Dry  s:cky  mucous  membranes,  red  swollen  tongue,  decreased  saliva  and  tears  

Renal   Oliguria     Oliguria    

GI:  Anorexia,  nausea,  vomi:ng,  watery  diarrhea  

Metabolic:  Fever  

Schwartz’  Principles  of  Surgery  10th  ed;  G.  Tom  Shires  III  

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Clinical  manifesta:ons:  High  K,  Mg,  Ca  

System     Potassium   Magnesium   Calcium  

>5.5  mEq/L   >2.1  mEq/L   >10.4  mg/dL  

GI   Nausea,  vomi:ng,  colic,  diarrhea  

Nausea,  vomi:ng   Anorexia,  nausea/vomi:ng,  abdominal  pain  

Neuromuscular   Weakness,  paralysis,  respiratory  failure  

Weakness,  lethargy,  decreased  reflexes  

Weakness,  confusion,  coma,  bone  pain  

Cardiovascular   Arrhythmia,  arrest   Hypotension,  arrest   Hypertension,  arrhythmia,  polyuria  

Renal   -­‐   -­‐   Polydipsia    

Increased  Serum  Levels  

Schwartz’  Principles  of  Surgery  10th  ed;  G.  Tom  Shires  III  

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Clinical  manifesta:ons:  Low  K,  Mg,  Ca  

System     Potassium   Magnesium   Calcium  

<3.5  mEq/L   <1.4  mEq/L   <8.8  mg/dL  

GI   Ileus,  cons:pa:on   -­‐   -­‐  

Neuromuscular   Decreased  reflexes,  fa:gue,  weakness,  paralysis  

Hyperac:ve  reflexes,  muscle  tremors,  tetany,  seizures  

Hyperac:ve  reflexes,  paresthesias,  carpopedal  spasm,  seizures  

Cardiovascular   Arrest     Arrhythmia     Heart  failure  

Decreased  Serum  Levels  

Schwartz’  Principles  of  Surgery  10th  ed;  G.  Tom  Shires  III  

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Acid-­‐Base  disorders  

Disorder   pH   pCO2  (respiratory    component)  

Plasma  bicarb  (metabolic    component)  

Respiratory  acidosis   êê   éé   N  

Respiratory  alkalosis   éé   êê   N  

Metabolic  acidosis   êê   N   êê  

Metabolic  alkalosis   éé   N   éé  

Disorder   pH   pCO2  (respiratory    component)  

Plasma  bicarbonate  (metabolic  component)  

Respiratory  acidosis   ê   éé   é  

Respiratory  alkalosis   é   êê   ê  

Metabolic  acidosis   ê   ê   ê  

Metabolic  alkalosis   é   é?   é  

ACUTE  UNCOMPENSATED  

CHRONIC  PARTIALLY  COMPENSATED  

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FLUID  AND  ELECTROLYTE  MANAGEMENT  

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Targeted  compartments  for  IV  therapy  Use Compartment Composition Examples

Volume Replacement

Intravascular fluid volume

Iso-oncotic Isotonic Iso-ionic

6% HES 130 in balanced solution

Fluid Replacement

Extracellular fluid volume

Isotonic Iso-ionic

Balanced solution (obsolete) normal saline; ringer’s lactate

Electrolyte or osmotherapy (solutions for correction)

Total body fluid volume

According to need for correction

KCL Glucose 5% Mannitol

Reference:    Zander  R,  Adams  Ha,  Boldt  J.  2005;  40;  701-­‐719  

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Composi:on  of  IV  fluids  

30  

Parameters Plasma NSS LRS Sterofundin Na+ 142 154 130 140

K+ 4.5 0 5 4

Ca2+ 2.5 0 1 2.5

Mg2+ 0.85 0 1 1

Chloride 103 154 112 127

HCO3 24 0 0 0

Lactate 1.5 0 27 0

Acetate Malate

0 0 0 24 5

Colloid Albumin (30-50) 0 0 0

Osmolarity (mosmol/l)

291 308 276 304

30  

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Volume  and  electrolyte  changes  •  Electrolytes  =  normal  •  Albumin  =  normal  

ECF  =  loss  •  Intravascular  loss  •  Inters::al  =  normal  

•  Balanced  electrolyte  solu:ons  

•  colloid  

•  Electrolytes  =  normal  •  Albumin  =  low  

ECF  =  loss  •  Intravascular  loss  •  Inters::al  =  swollen  

•  Balanced  electrolyte  solu:ons  

•  Colloid  •  Hypernatremia  •  Albumin  =  normal  

ECF  =  loss/none  •  Intravascular  loss  •  Cell  shrink  

•  D5W  •  colloid  

•  Hyponatremia  •  Albumin  =  low  

ECF  =  loss/none  •  Intravascular  loss  •  Cell  swell  

•  Hypertonic  saline  (3%SS)  

•  colloid  

•  Avoid  D5W  •  Avoid  0.3%  SS   Cerebral  edema  

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Crystalloids  

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Peri-­‐opera:ve  fluid  therapy:  effect  of  solu:on  types  

•  5%  dextrose    –  is  beser  than  sodium  containing  solu:on  in  inducing  diuresis  (Heller  MB  et  al.  1996)  

•  Crystalloid  (Ringer’s  lactate)    –  Rapid  infusion  may  increase  the  albumin  escape  rate  from  the  intravascular  space.  

•  Saline  (0.9%)  –  Large  volumes  (50  mL/kg  over  1  hr)  in  volunteers  can  produce  abdominal  discomfort  and  pain,  nausea,  drowsiness  and  decreased  mental  capacity  to  perform  complex  tasks  →  changes  not  noted  auer  infusion  of  iden:cal  volumes  of  lactated  Ringer’s  solu:on  (Willams  EL  et  al.  1999)  

–  Saline  infusions  were  also  associated  with  a  persistent  acidosis  and  delayed  micturi:on.  

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Fluid  management  in  surgery  

•  Average  periopera:ve  fluid  infusion:  –  Intra-­‐op  =  3.5  to  7  liters  – 3  liters/day  for  the  next  3  to  4  days  – Average  gain  post-­‐op  =  3  to  6  kg  weight  gain  

•  Leads  to:  – Delay  of  gastrointes:nal  func:on  –  Impair  wound  anastomosis  healing  – Affects  :ssue  oxygena:on  – Prolonged  hospital  stay  

Lassen  et  al.  Arch  Surg  2009  

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Surgery:  fluid  loss  Fluid  Loss  Insensible    perspira:on  

•  10  ml/kg/day  -­‐  2/3  skin,  1/3  lungs  •  Ven:la:on  with  100%  water  =  almost  zero  loss  •  Ven:la:on  in  dry  air  =  0.5  ml/kg/day  

Evapora:ve  loss   •  minor  incisions  with  slightly  exposed  but  non-­‐exteriorised  viscera  =  2.1  g/hour  

•  moderate  incisions  with  partly  exposed  but  non-­‐exteriorised  viscera  =  8.0  g/hour  

•  major  incisions  with  completely  exposed  and  exteriorised  viscera  =  32.2  g/hour  

•  Loss  from  completely  exteriorised  viscera  decreases  by  50%  auer  20  minutes,  

•  Wrapping  the  exteriorised  viscera  in  plas:c  reduces  the  evapora:on  loss  by  87.5%.  

Brandstrup  B.  Fluid  therapy  for  the  surgical  pa:ent.    Best  Pract    Res  Clin  Anaesthesiology  2006;  20(2):  265-­‐83  

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Surgery:  fluid  loss  Fluid  Loss  Third  space  loss:  a)  pathological  fluid    accumula:ons  

•  A  volume  of  asci:c  or  pleural  fluid  emp:ed  through  drains  or  during  surgery  can  be  accurately  measured  

•  2.5–5  mL  may  accumulate  around  a  large  bowel  anastomosis  if  no  fluid  is  administered;  

•  5–10  mL  may  accumulate  if  15  mL/kg/hour  fluid  is  given;  

•  Edematous  en:re  colon,  the  accumula:on  would  be  150–300  mL,  depending  on  the  volume/type  of  IVF  

Third  space  loss:  b)  non-­‐anatomical  third  space  loss  (or  deficit  in  func:onal    extracellular  volume).  

•  U:lizing  labelled  bromide  tracer:  corrected  for  lost  blood,  expansion  of  ECV  instead  of  a  contrac:on  was  found  following  surgery.  

•  Volumes  up  to  15  mL/kg/hour  are  recommended  in  the  first  hour  of  abdominal  surgery,  with  decreasing  volumes  in  subsequent  hours.  

Brandstrup  B.  Fluid  therapy  for  the  surgical  pa:ent.    Best  Pract    Res  Clin  Anaesthesiology  2006;  20(2):  265-­‐83  

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Surgery:  fluid  loss  Fluid  Loss  Replacement  of  blood  loss  

•  Replacement  with  crystalloids  –  expansion  of  the  inters::al  space,  with  postopera:ve  oedema  forma:on  and  body  weight  gain.  

•  Replacement  with  colloids  –  current  advice:  a  colloid  that  stays  in  the  vascular  space  for  a  longer  :me  seems  to  be  a  more  expedient  choice  for  replacement  of  lost  blood.  

Exuda:on  from  surgical  wound  

•  Can  be  measured  

Brandstrup  B.  Fluid  therapy  for  the  surgical  pa:ent.    Best  Pract    Res  Clin  Anaesthesiology  2006;  20(2):  265-­‐83  

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How  much  fluid  loss  in  surgery?  Fluid  Loss   60  kg  wt  Insensible    perspira:on  

Ven:la:on  with  100%  water  =  almost  zero  loss  

0  ml  

Evapora:ve  loss   •  moderate  incisions  with  partly  exposed  but  non-­‐exteriorised  viscera  =  8.0  mlhour  

•  major  incisions  with  completely  exposed  and  exteriorised  viscera  =  32.2  mlhour  

8-­‐30  ml  per  hr  

Third  space  loss   •  Ascites  or  other    fluids  –  measurable  •  Volumes  up  to  15  mL/kg/hour  are  

recommended  in  the  first  hour  of  abdominal  surgery,  with  decreasing  volumes  in  subsequent  hours.  

•  Measure    •  300  ml  

Total     •  Within  one  hour  (crystalloids  not  recommended)  

350  first  hour  

Adapted  from:  Brandstrup  B.  Fluid  therapy  for  the  surgical  pa:ent.    Best  Pract    Res  Clin  Anaesthesiology  2006;  20(2):  265-­‐83  

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Fluid  and  electrolyte  imbalance  INJURY  =  SURGERY  

↑albumin  escape    from  intravascular  

space  

Inflammatory  mediators   ↑vasodila:on  effect    of  anesthe:c  agents  

↑K+  release    from  cells  

↓K+  and  ↑  Na  intracellular  

Sick  cell  syndrome  of  cri:cal  illness  

↑hypotonic  fluid    infusion  

90%  cause  of  hyponatremia  in  

surgery  

Fluid  RetenWon  +    Electrolyte  Imbalance  

Lobo  D,  Macafee  DL,  Allison  S.  How  periopera:ve  fluid  balance  influences  postopera:ve  outcomes.  Best  Pract  Res  Clin  Anaesthesiology  2006;  20(3):  439–55.  

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Ileus  and  dehiscence  Salt  and  water  overload  

↑intra-­‐abdominal  pressure  

↓mesentery  blood  flow  

Intes:nal  edema  

↓:ssue  OH-­‐proline  

STAT3  ac:va:on  ↓myosin  phosphoryla:on  

ILEUS  

Impaired  wound  healing  

DEHISCENCE  

Intramucosal    acidosis  

↓muscle  contrac:lity  

Chowdhury  and  Lobo.  Curr  Opinion  Clin  Nutr  Metab  2011    

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Anastomosis  Leak  

•  Points  to  bowel  prepara:on:  – meta-­‐analyses  show  that  bowel  prepara:on  is  not  beneficial  

–  in  elec:ve  colonic  surgery,  and  2  smaller  recent  RCTs  suggest  that  it  increases  the  risk  for  anastomo:c  leak  

– Promote  longer  ileus  dura:on  

•  Points  to  fluid  management  Lassen  K  et  al.  Consensus  Review  of  Op:mal  Periopera:ve  Care  in  Colorectal  Surgery:  Enhanced  Recovery  Auer  Surgery  (ERAS)  Group  Recommenda:ons.  

Arch  Surg  2009;  144  (10):  961-­‐9.  

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What  is  the  worst  fluid  to  give?  

Plasma   0.9%  saline  Na  (mmol/L)   135  –  145   154  Cl  (mmol/L)   95  –  105   154  K  (mmol/L)   3.5  –  5.3   0  HCO3  (mmol/L)

 24  –  32   0  

Osmolality  (mOsm/kg)   275  –  295   308  pH   7.35  –  7.45   5.4  

Lobo  D,  Macafee  D,  and  Allison  S.  How  periopera:ve  fluid  balance  influences  postopera:ve  outcomes.  Best  Pract  Res  Clin  Anaesthesiology  2006;  20(3):  

439-­‐55.  

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Peri-­‐opera:ve  fluid  therapy:  effect  on  organ  func:ons  and  outcome  

•  (Lowell  et  al  1990)  Post-­‐op  ICU  pa:ents  who  gained  >10%  weight  from  preopera:ve  or  premorbid  records,  indica:ve  of  fluid  overload  :    –  Had  significantly  greater  morbidity  and  length  of  ICU  stay  –  Higher  mortality  with  100%  mortality  to  those  who  gained  >20%  

weight  

•  (Arieff  et  al  1999):  Post-­‐opera:ve  pulmonary  edema  :  –  Occurs  within  36  hrs  when  net  fluid  reten:on  exceeds  67  ml/kg/day  

•  (Alsous  et  al  2000):    –  at  least  1  day  of  net  nega:ve  fluid  balance  on  the  first  3  days  of  

treatment  strongly  predicted  survival.  

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Peri-­‐opera:ve  fluid  therapy:  effect  on  organ  func:ons  and  outcome  

•  Moller  et  al  2002:    –  posi:ve  fluid  balance  exceeding  4  Liters  during  anaesthesia  was  

associated  with  a  higher  risk  of  postopera:ve  complica:ons  than  blood  loss  exceeding  1  Liter,  and  was  the  strongest  risk  factor  for  postopera:ve  pulmonary  complica:ons  and  mortality  

•  Mitchell  et  al  (1992):    –  pulmonary  edema  management  based  on  extravascular  lung  water  

compared  to  pulmonary  wedge  pressure  had  less  ven:lator  days  and  shorter  ICU  stays  

•  Woods  and  Kelley  (1993):    –  salt  and  water  balance,  and  not  the  serum  albumin  concentra:on  per  

se,  that  is  the  determinant  of  recovery  from  postopera:ve  ileus  

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Goal  =  zero  fluid  balance  

•  Brandstrup  et  al  2003    – A  dose–response  rela:onship  was  noted  between  postopera:ve  complica:ons  and  increased  volumes  of  intravenous  fluid  causing  postopera:ve  weight  gain  ()  –  please  see  next  two  slides  for  the  methodology  

–  fewer  complica:ons  and  beser  outcome  than  a  group  given  standard  periopera:ve  fluids  which  had  a  3–7-­‐kg  increase  in  body  weight  

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Complica:ons  

Brandstrup  B  et  al.  Effects  of  intravenous  fluid  restric:on  on  postopera:ve  complica:ons:  comparison  of  two  periopera:ve  fluid  regimens:  a  randomized  assessor-­‐

blinded  mul:center  trial.  Annals  of  Surgery  2003;  238:  641–648.  

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FLUID/ELECTROLYTE  ABNORMALITIES  IN  SPECIFIC  SURGICAL  CONDITIONS  

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Specific  surgical  condi:ons  

Refeeding  syndrome  •  Elderly  •  Severely  malnourished  •  Low  normal  values  of  Na,  K,  

Mg,  P  •  Occurs  in  parenteral  

nutri:on  not  delivered  slowly  

•  Needs:  high  degree  of  suspicion  

Neurologic  paWents  •  Inappropriate  secre:on  of  

ADH  –  Secondary  to  head  injury  or  

surgery  to  the  CNS  –  Loop  dire:cs  

•  Diabetes  insipidus  –  Vasopressin  5U  

subcutaneously  every  6  to  8  hours  

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Specific  surgical  condi:ons  

Acute  Renal  Failure  •  Pre-­‐renal  azotemia  –  

correct  •  With  Acute  Tubular  

Necrosis  –  fluid  restric:on  •  With  dialysis:  no  restric:ons  

to  nutrients  and  electrolytes;  careful  of  phosphorus  levels  

•  Electrolyte  monitoring  

Cancer  paWents  •  Nutri:on  management  •  Fluid  and  electrolyte  

abnormali:es  secondary  to  surgery  and  chemotherapy  –  Potassium  –  Calcium  (malignancy  most  

common  cause  of  hypercalcemia)  

–  Phosphorus  –  Magensium  

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