dialisi, sistemi , macchina,

1. Corso di Organi Artificiali
II^ parte:
Sistemi per emodialisi:
il circuito extra-corporeo.
Accessi vascolari in dialisi
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica
II Facoltà di Ingegneria – Sede di Cesena
Università degli Studi di Bologna
Carlo Alberto Lodi
II^ parte
Circuito extra-corporeo e accessi vascolari in dialisi
Introduzione sui
sistemi per emodialisi
OA 2.2
1

2. Emodialisi (I)
Per emodialisi (o dialisi extra-corporea) si intende un
trattamento che rimuove i prodotti di rifiuto e l’eccesso di acqua
che si accumulano nel sangue a causa dell’insufficienza renale.
L’emodialisi è di solito un trattamento intermittente, svolto 3
volte alla settimana, per la durata di 3 - 5 ore.
La depurazione del sangue avviene fuori dal corpo, all’interno
del filtro (o dializzatore). Al suo interno, il sangue viene a
contatto con il liquido di dialisi (o dialisato), al quale cede le
sostanze di rifiuto per diffusione e convezione. L’eccesso di
fluido viene rimosso per ultrafiltrazione.
Il liquido di dialisi può anche essere usato per normalizzare la
composizione chimica del sangue (infusione di bicarbonato per
diffusione).
OA 2.3
Emodialisi (II)
La membrana del filtro trattiene nel comparto ematico le
molecole di PM>55000 Dalton quali le proteine e la parte
cellulare del sangue.
Essa agisce sul plasma sanguigno, che funziona da cinghia di
trasmissione verso i distretti idrici più profondi:
Le variazioni di composizione e concentrazione del plasma
innescano meccanismi di trasporto (diffusivi ed osmotici), di
riequilibrio e ridistribuzione dell’acqua e dei soluti sia
nell’interstizio che nel distretto intra-cellulare.
L’obiettivo finale è la depurazione e la normalizzazione di
tutti i distretti idrici.
OA 2.4
2

3. Emodialisi: un po’ di storia (I)
Thomas Graham (Scozia, 1805-1869), padre del concetto di dialisi
(separazione di sostanze attraverso una membrana semi-
permeabile).
Il primo rene artificiale: John J. Abel et coll. (US, 1913). Dialisi
effettuata su animale (accesso artero-venoso).
La prima dialisi su persona umana (15 minuti): Georg Haas
(Germania, 1924).
OA 2.5
Emodialisi: un po’ di storia (II)
La dialisi clinica: Willem J. Kolff (Olanda, 1943). Accesso venoso e
pressione idrostatica oppure accesso artero-venoso; filtro a rotolo di
cellophane; eparina.
I primi effetti terapeutici: 1945.
OA 2.6
3

4. Emodialisi: un po’ di storia (III)
Il primo dializzatore con ultrafiltrazione controllabile: Nils Alwall
(Lund, 1946).
L’emodialisi viene impiegata
nella Guerra di Corea
(1952).
OA 2.7
Emodialisi: un po’ di storia (IV)
La fistola artero-venosa su conigli: Nils Alwall (1960).
Shunt artero-venoso esterno di teflon: Belding H. Scribner
(US, 1960). Primi successi con i pazienti cronici.
OA 2.8
4

5. Emodialisi: un po’ di storia (V)
Il primo sistema di dialisi: il dializzatore di Frederik Kiil (Norvegia,
1960). Accesso AV senza pompa; controllo di temperatura del
dialisato; scambio controcorrente. Il filtro era a piastre parallele.
OA 2.9
Emodialisi: un po’ di storia (VI)
Il primo programma di dialisi cronica (Seattle, US, 1960).
L’emodialisi si diffonde
nel mondo (1962-1965).
Europa, 1965:
~ 160 pazienti cronici
~ 40 centri dialisi
OA 2.10
5

6. Emodialisi: un po’ di storia (VII)
Introduzione della distribuzione centralizzata di dialisato (Seattle,
US, 1963).
Introduzione dei sistemi “single-pass”, alternativi a quelli a ricircolo
di dialisato (Seattle, US, 1964).
Nascita delle prime industrie bio-medicali in Italia (1964).
OA 2.11
Emodialisi: un po’ di storia (VIII)
Il primo filtro disposable (a piastre parallele): Nils Alwall (Svezia,
1960).
La prima fistola artero-venosa impiantata chirurgicamente: M.J.
Brescia, J.E. Cimino, K. Appel e B.J. Hurwich (New York, 1966).
I filtri a fibre cave, introdotti da Richard D. Stewart (1966).
OA 2.12
6

7. Emodialisi: un po’ di storia (IX)
Sviluppi ulteriori. L’obiettivo iniziale di tenere in vita i pazienti con
insufficienza renale cronica terminale fu raggiunto prima del 1965.
Ulteriori direzioni di sviluppo sono state e sono:
Aumento dell’efficienza dialitica (dispositivi, filtri, terapie);
Riduzione della durata del trattamento;
Aumento della sicurezza e del comfort per il paziente;
Prevenzione e attenuazione delle complicanze del trattamento;
Miglioramento della riabilitazione e della qualità di vita dei pazienti
cronici;
Miniaturizzazione dei dispositivi/componenti, riduzione costi;
Studi su emodinamica e cinetica della rimozione, sviluppo di nuove
membrane per filtro;
Monitoraggio del paziente, concetto di “bio-feedback”, trattamenti
personalizzati, …
OA 2.13
Macchina per emodialisi
Una macchina per emodialisi (“Hemodialsys machine or
monitor”) è un dispositivo che permette di implementare un
trattamento di emodialisi, una volta definiti i parametri
(prescrizione). Quindi la macchina:
convoglia il sangue verso il filtro e lo restituisce
al paziente;
prepara il liquido di dialisi;
regola lo scambio di liquidi fra sangue e
dialisato;
verifica la correttezza e la sicurezza di queste
operazioni, misurando e controllando
determinate grandezze del sangue e del
dialisato;
controlla l’efficacia del trattamento.
OA 2.14
7

8. Schema di principio di una sistema per dialisi
Circuito extra-corporeo
Sangue arterioso
Sangue venoso
Liquido di infusione
Dialisato fresco
Dialisato post-filtro
Dializzatore
A
Bicart
Circuito idraulico
OA 2.15
II^ parte
Circuito extra-corporeo e accessi vascolari in dialisi
Il circuito
extra-corporeo
OA 2.16
8

9. Circuito extra-corporeo (EC)
Funzione:
trasporto sangue
Parametro
essenziale: flusso
sangue (QB).
Influenza il
trasporto di soluti
attraverso il filtro.
Forza propulsiva:
gravità (in passato),
AV, pressione
⇓
pompa sangue
OA 2.17
Circuito extra-corporeo (II)
Sacca
infusione
Rivelatore
pressione arteriosa
Linea venosa
Rivelatore
Camera pressione venosa
e rivelatore Pompa
fine-infusione peristaltica
arteriosa
Camera
Camera venosa
pre-filtro Clamp
Camera venosa
arteriosa
Pompa
peristaltica Rivelatore
infusione Aria/schiuma
Linea arteriosa
Dializzatore Pompa/siringa eparina
Misuratore di pressione
arteriosa sistemica
e frequenza cardiaca
Paziente
OA 2.18
9

10. Circuito extra-corporeo (III)
1 Linea arteriosa
2 Linea venosa
3 Camera d’espansione
arteriosa
4 Camera d’espansione
venosa
5 Membrane per
misura di pressione
6 Linee di infusione
arteriosa
7 Linea di infusione
venosa
8 Pompa eparina
9 Pompa sangue
10 Dializzatore (Filtro)
OA 2.19
La pompa sangue
La più usata è la pompa a rotazione peristaltica.
Caratteristiche tecniche (scelte di compromesso):
n° dei rullini (n)
forza occlusiva
stroke volume (Vs):
QB = n * Vs * ω
ω = velocità di rotazione
QB = 0 ÷ 700 ml/min
Vs = f (Part.pre)
perdita di elasticità nel
tempo
flusso retrogrado se
Part.post>occlusione
⇓
QB(effettivo) ≠ QB(teorico)
OA 2.20
10

11. Le camere di espansione (I)
Non sarebbero strettamente richieste (favoriscono i coaguli e
aumentano il volume di riempimento del circuito extra-corporeo).
La camera venosa:
storicamente serviva per la misura del flusso nei circuiti senza
pompa (“bubble trap” o “camera di gocciolamento”);
serve ad evitare in modo intrinseco che bolle d’aria
raggiungano il paziente;
interfaccia per la misura di pressione nella linea sangue per:
evitare un danno eccessivo ai globuli rossi
(emolisi) in caso di ostruzioni
monitorare lo stacco del catetere venoso (in
teoria)
controllo UF;
presenta un filtro per trattenere eventuali
particelle o coaguli.
OA 2.21
Le camere di espansione (II)
La camera arteriosa:
introdotta per catturare aria lungo la linea quando QB ↑ e Part ↓
interfaccia per la misura della pressione della linea sangue ( p.
negativa) per:
Confermare l’efficienza del pompaggio
Evitare un danno eccessivo ai globuli rossi con pericolo di emolisi
Evitare impuntamenti della cannula sulla parete del vaso:
potrebbero portare alla lacerazione della parete stessa
Può essere sostituita da
dispositivi più semplici
(rilevatori di pressione
negativa a deformazione o
derivazioni a T)
OA 2.22
11

12. Procedure speciali
Procedura di priming (o riempimento)
Prima del trattamento, viene immessa soluzione fisiologica nel circuito
EC per lavarlo e rimuovere eventuale aria e particelle residue.
Procedura di anticoagulamento
Periodiche iniezioni controllate di soluzione fisiologica oppure farmaci
come eparina, citrato o protamina. Si usano siringhe o pompe
peristaltiche.
Portata: 0.1 - 5 ml/h; posizione: dopo la pompa sangue e prima del
dializzatore.
Procedura di emptying (o svuotamento)
Lavaggio a fine dialisi del circuito EC per rimuovere il più possibile del
tessuto ematico presente e restituirlo al paziente. Si esegue
introducendo soluzione fisiologica nel circuito.
OA 2.23
Monitoraggio di segnali per la sicurezza
L’uso di una pompa che crea pressioni positive e negative introduce
rischi aggiuntivi.
I rischi principali per il paziente in dialisi connessi al circuito EC sono:
perdita di sangue nell’ambiente (QB = 5 ÷ 10% CO):
sconnessione ago venoso;
sconnessione tubi/componenti;
perdita di sangue a causa di coagulazione:
insufficiente eparinizzazione;
scarsa biocompatibilità dei materiali;
embolia gassosa (bolle di aria trasferite al paziente);
emolisi (danno meccanico, termico o chimico ai globuli rossi);
contaminazione del sangue (chimica o biologica);
contaminazione dell’ambiente e del personale sanitario.
OA 2.24
12

13. Strategia di riduzione del rischio
Stato dell’arte
convenzionale Rischio:
Severità e Mitigazione del
probabilità rischio:
•Dispositivi specifici Nuovo
capaci di generare stato
allarmi e di dell’arte Rischio
predisporre stati di
residuo:
sicurezza
•Procedure obbligate Severità e
indipendenti probabilità
dall’operatore
•Informazione e
prescrizioni d’uso
Questo processo è dapprima volontario per ciascun fabbricante, può essere in
seguito recepito dalla normativa e divenire obbligatorio nel settore per ciascuna
nuova apparecchiatura immessa in commercio.
Da notare che anche l’avanzamento della tecnologia può comportare un aumento
del rischio (ad es. l’adozione della pompa sangue peristaltica).
OA 2.25
1. Monitoraggio della pressione (I)
Le pressioni nel circuito EC sono monitorate per 3 ragioni principali:
rilevamento di distacco tubi/cannule;
rilevamento ostruzioni causate da coaguli, pieghe, interruzioni;
controllo della rimozione di fluido dal paziente.
Profilo di pressione
in un circuito EC
- pressione arteriosa
pre-pompa
- pressione arteriosa
pre-filtro
- pressione venosa
OA 2.26
13

14. 1. Monitoraggio della pressione (II)
Pressione venosa :
è un sistema di protezione limitativo;
di solito si misura in : (pressione = caduta sull’ago venoso +
pressione nella fistola);
sensibile alle perdite di sangue maggiori (a monte dell’ago); se si
stacca l’ago, rischio di non rilevamento;
rileva ostruzioni a valle del sensore (rischio di emolisi o scoppio).
OA 2.27
1. Monitoraggio della pressione (III)
Pressione arteriosa (non strettamente richiesto):
di solito misurata in ; permette di calcolare il QB(effettivo) e
rilevare pressioni molto < 0 (date da ostruzioni o cattivo
posizionamento dell’ago), dannose per i globuli rossi e l’accesso
vascolare;
misurata in rileva ostruzioni, sconnessione, principi di
coagulazione nel filtro. In passato veniva usata per controllo UF.
La pressione viene misurata attraverso una linea contenente aria che
collega le camere d’espansione con il trasduttore. Le connessioni a T
sono problematiche (emostasi, coagulazione).
Per evitare contaminazioni: membrane protettive (idrofobiche).
I trasduttori sono in genere dispositivi microelettronici o a membrana
(ceramica, metallica) dotata di ponte di estensimetri.
OA 2.28
14

15. 2. Rivelatori d’aria
Embolia gassosa =
rischio più forte in dialisi
(controversia sui limiti:
pericolo per bolle ≈ ml).
L’aria può entrare in
circuito EC solo nel
tratto a pressione < 0:
(perdita nella linea
arteriosa o sfilamento
ago arterioso).
Per mitigare il rischio, le
norme richiedono di inserire un rivelatore d’aria nel tratto di linea venosa.
Azione in caso di rilevamento: interruzione pompa sangue E chiusura
della linea venosa attraverso una elettro-pinza (clamp).
Posizione rivelatore: sulla camera venosa oppure lungo la linea.
Principio di funzionamento: sensori fotoelettrici; capacitivi; ultrasonici.
OA 2.29
Dialisi con ago singolo (I)
• Modalità nata circa 25 anni fa, poco diffusa (a parte Belgio e UK);
• usata in caso di problemi di accesso: con un solo ago o con
catetere (ma poi catetere a doppio lume).
Vantaggi:
cannulazione meno traumatica;
dialisi pediatrica o di emergenza.
Svantaggi:
QB minore; Efficienza ↓
ricircolo ↑;
maggiori componenti meccanici;
uso di camere supplementari di espansione (consigliabile);
problemi aggiuntivi di sicurezza.
OA 2.30
15

16. Dialisi con ago singolo (II)
Vi sono due tipi principali di modalità con ago singolo:
pompa (sangue) singola o doppia
Pompa singola (SP):
azione continua con doppia clamp (Part << 0)
azione
intermittente
con clamp
venosa
(inefficienza)
fasi
comandate
da tempo o
da
pressione.
OA 2.31
Dialisi con ago singolo (III)
Pompa doppia (DP):
le pompe lavorano alternativamente,
comandate dalla pressione nella camera
d’espansione. Si può usare solo una
clamp.
OA 2.32
16

17. Dialisi con ago singolo (IV)
Flusso
Ta
Qa
Va
Tv’ Tv’’ Tempo
Vv Qa, Ta Ciclo arterioso
Qv’, Tv’ Ciclo venoso, DP
Qv’
Qv’’, Tv’’ Ciclo venoso, SP
Vs = QB * T stroke volume; Va = Vv (no accumulo)
Se Qa e Qv costanti: Qmedio = Qa* Qv/(Qa+ Qv)
Durante il ciclo venoso, Qv’’ (SP) non è costante: ciò porta ad
avere Tv’’ > Tv’ (efficienza del trattamento).
OA 2.33
17