X stream parte_ii_sistemi-per-dialisi

II^ parte
Sistemi per emodialisi

• Introduzione

• Il circuito extra-corporeo

• Il circuito idraulico

CdL Specialistica in Ingegneria Biomedica – Università di Bologna – CAL/2

Emodialisi
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 (il 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).


1

Emodialisi: una breve 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).

La dialisi clinica: Willem J. Kolff (Olanda, 1943). Accesso venoso e
pressione idrostatica oppure accesso artero-venoso; filtro a rotolo di
cellophane; eparina.


Emodialisi: una breve storia (II)

I primi effetti terapeutici:
1945.

Il primo dializzatore con
ultrafiltrazione
controllabile: Nils
Alwall (Lund, 1946).

La fistola artero-venosa
su conigli: Nils Alwall
(1960).

Shunt artero-venoso esterno di teflon: Belding H. Scribner (US,
1960). Prime applicazioni ai pazienti cronici.


2

Emodialisi: una breve storia (III)

Il primo sistema di dialisi: il dializzatore
di Frederik Kiil (Norvegia, 1960).
Accesso AV senza pompa; controllo T
del dialisato; scambio controcorrente.

Nascita delle prime industrie bio-medicali in Italia (1964).

La prima fistola artero-venosa impiantata chirurgicamente:
Brescia, Cimino, Appel e Hurwich (New York, 1966).


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 la soluzione 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.


3

Schema di principio di una sistema per dialisi

Circuito extra-corporeo
Sangue arterioso
Sangue venoso
Liquido di infusione
Dialisato fresco
Dialisato post-filtro

Dializzatore
Bicart

A

Circuito idraulico


Circuito extra-corporeo (EC)

Funzione:
trasporto sangue
Parametro
essenziale: flusso
sangue (QB).
Influenza il
trasporto di soluti
attraverso il filtro.
Forza propulsiva:
gravità, AV,
pressione
⇓
pompa sangue


4

Circuito extra-corporeo (II)

Sacca
infusione
Rivelatore
pressione arteriosa

Linea venosa
Pompa Rivelatore
Camera pressione venosa
e rivelatore peristaltica
fine-infusione 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


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)


5

La pompa sangue
La più usata è la pompa a rotazione peristaltica.
Caratteristiche tecniche (scelte di compromesso):
n° dei rullini
forza occlusiva
stroke volume (Vs):
QB = Vs * r
r = 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)


Le camere di espansione
Non sarebbero strettamente richieste (favoriscono coaguli).
La camera venosa:
storicamente serviva per la misura del flusso nei circuiti senza
pompa (“bubble trap” o “camera di gocciolamento”);
utile per inserire un trasduttore di pressione (controllo UF);
presenta un filtro per trattenere eventuali particelle o coaguli.
La camera arteriosa:
introdotta per catturare aria lungo la linea quando QB ↑ e Part ↓
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 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.

6

Monitoraggio di segnali per la sicurezza
L’uso di una pompa che crea pressioni positive e negative introduce
rischi aggiuntivi. Quelli principali per il paziente in dialisi sono:
perdita di sangue nell’ambiente (QB = 5 ÷ 10% CO);
perdita di sangue a causa di coagulazione;
embolia gassosa.

A causa dell’importanza dei problemi di sicurezza:

STANDARD
Essi descrivono la tecnologia esistente (“stato dell’arte”). Sono
volontari, ma contengono indicazioni per limitare i rischi dei dispositivi
medicali.

Rischio ↑ Dispositivi
Tecnologia ↑
aggiuntivi

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 venosa:
è un sistema di
protezione limitativo;
di solito si misura in
: (pressione = caduta
sull’ago venoso +
pressione nella fistola);


7

1. Monitoraggio della pressione (II)
Pressione venosa:
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 (possibile rottura della linea).

Pressione arteriosa (non richiesto):
spesso misurata in ; in passato in per controllo UF;
permette di calcolare il QB(effettivo) e rilevare pressioni molto < 0
(date da ostruzioni o cattivo posizionamento dell’ago).

La pressione viene trasdotta attraverso una linea piena d’aria che
collega le camere d’espansione con il sensore.
Per evitare contaminazioni: membrane protettive (idrofobiche).
I sensori sono in genere di tipo elettronico.


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).
Gli standard 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.

8

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:
dialisi pediatrica o di emergenza.
Svantaggi:
QB minore;
Efficienza ↓
ricircolo ↑;
maggiori componenti meccanici;
uso di camere supplementari di espansione (consigliabile);
problemi aggiuntivi di sicurezza.


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.


9

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.


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).

10

Circuito idraulico
La prima funzione del circuito idraulico è di erogare il liquido di dialisi
al dializzatore secondo specifiche condizioni di concentrazione,
temperatura, pressione, flusso.
Inoltre, il circuito idraulico monitorizza e, in genere, controlla le
pressioni e i flussi al dializzatore per la rimozione del fluido.
Ingresso acqua Schema a blocchi:
Controllo
pressione
acqua Deareazione Dializzatore
e Dosaggio
riscaldamento concentrati
e controllo
conducibilità
Controllo
ultrafiltrazione

Scarico


Sistemi di erogazione del liquido di dialisi (I)
I sistemi di erogazione del liquido di dialisi si dividono in:
ricircolanti o a passo singolo
singolo paziente o distribuzione centralizzata.

Sistemi ricircolanti
I primi ad essere usati.
Pompa UF
efficienza ridotta (ricircolo dialisato);
proliferazione batterica Pompa
⇒ T ↓ ⇒ scambi ↓ dialisato

Tanica
Accesso dialisato
vascolare Filtro


11

Sistemi di erogazione del liquido di dialisi (II)
Per migliorare l’efficienza si usa un volume più piccolo che viene
riempito periodicamente.
V2 V4

Scarico
Accesso
Filtro vascolare

Pompa
dialisato
Pompa UF
Preparatore
dialisato
V1 V3

Perdita di tempo per svuotare e riempire il circuito.


Sistemi di erogazione del liquido di dialisi (III)
Sistemi a passo singolo
E’ oggi il più diffuso. Il liquido di dialisi è pompato al filtro e, dopo un
singolo passo, è pompato fuori. La soluzione di dialisi viene preparata
di continuo (ridotta proliferazione batterica e dialisi a 37°C).


12

Sistemi di controllo dell’ultrafiltrazione
1. Controllo della pressione
I primi ad essere usati. Basati sulla pressione di transmembrana:
TMP = (PB.in + PB.out)/2 - (PD.in + PD.out)/2
UFR = UFK * TMP con UFR portata di ultrafiltrazione (UF)
UFK coefficiente di ultrafiltrazione del filtro.
Se UFK noto e costante,
UF dipende solo da TMP.
UFR
Control
Problemi: unit

TMP non stimato in modo dialyzer

completo e preciso;
occorre tener conto della
pressione osmotica;
UFK dipende da vari
parametri (ad es. Hct).


1. Controllo della pressione
Sistemi usati finché dializzatori a basso flusso (UFK < 10 ml/h*mmHg).
Ora i filtri hanno permeabilità più alte (20 < UFK < 60 ml/h*mmHg)
⇓
alte risoluzioni per TMP, ma rischio di continui allarmi
⇓
Controllo non più sufficiente;
si misura direttamente la
UFR
⇓
rimozione accurata (± 200
g), continua e predicibile.
3 sono i tipi di controllo della
portata di ultrafiltrazione:
sistemi a circuito chiuso;
a flussimetri;
Cambiamento di TMP per un errore di UF = 0.5 l/h
volumetrici

13

Pressione di transmembrana

Con i filtri ad alta permeabilità c’è la possibilità di avere, accanto ad
un’alta ultrafiltrazione, anche una quota di filtrazione inversa (da
liquido di dialisi a compartimento ematico)
⇓
potenziale rischio di intossicazione e infezione + insufficiente UF
Rimedi possibili: fissare un limite adeguato di pressione di TMP,
oppure sterilizzazione del liquido di dialisi.

2. Sistemi a circuito chiuso

Sistemi costituiti da un contenitore
chiuso in cui il liquido di dialisi
ricircola (cfr. sistemi ricircolanti). Da
esso si estrae l’ultrafiltrato per
mezzo di un condotto in depressione
oppure attraverso una pompa.
L’accuratezza dipende solo da
quella della pompa UF.
In alcune versioni più moderne il
liquido di dialisi è sostituito
periodicamente da liquido fresco.
Essendo il sistema rigido, ciò che
viene estratto deriva dal paziente.
Sistemi non più usati (cfr. problemi citati sopra su ricircolo dialisato).


14

3. Controllo con misura di flusso
Il flusso in ingresso e uscita
dal filtro viene misurato da
due flussimetri, D1 e D2. UFR
Control
unit
dialyzer
QD2 - QD1 = UFR
La differenza dei flussi è
l’ingresso ad un controllo in
retroazione della pompa
effluente.
Alternativa: pompa UF in
parallelo al flussimetro in
uscita (in questo caso QD1 deve essere uguale a QD2).
Solitamente si usano tre tipi di flussimetri: elettromagnetici, a turbina,
Coriolis. Per un buon controllo UF è necessario tenere puliti i flussimetri e
calibrarli anche intra-dialiticamente (modalità bypass).


4. Sistemi a controllo volumetrico (I)
Sistema basato su
UFR
una camera di Control
unit
bilanciamento che
crea un sistema
fresh
temporaneamente dialysate dialyzer

chiuso, ma senza
ricircolo di dialisato. spent
dialysate

Nella camera vi
sono 2 comparti,
divisi da una
membrana, che si
riempiono e
svuotano di liquido fresco e usato alternativamente. Una fase si usa per
riempire e svuotare la camera, l’altra per fare fluire il dialisato nel circuito.
Poiché il volume del sistema non cambia, il flusso pompato dalla pompa
UF viene rimosso dal paziente.

15

4. Sistemi a controllo volumetrico (II)
Per ottenere un flusso di
dialisato più uniforme, si usano
due camere di bilanciamento:
il fluido circola attraverso la
prima mentre la seconda è
riempita.
La dimensione della camera è
importante: il flusso pulsatile è
ugualmente efficiente di quello
continuo se il volume degli
impulsi è < di quello del filtro.
In questo modo si può evitare
l’uso di una seconda camera.


Circuito idraulico: altre funzionalità (I)
Riscaldamento dell’acqua
Ragione principale del riscaldamento a 36 ÷ 42°C: evitare di far
perdere al paziente energia termica. La temperatura viene poi
controllata a valle della diluizione con i concentrati.

Deareazione
Scopi:
evitare di trasferire aria al sangue (raro);
l’aria nel filtro ne riduce la superficie efficace;
il controllo dell’UF, se volumetrico, risente dell’aria nel circuito.
Si effettua attraverso riscaldamento e/o depressione dell’acqua.

Monitoraggio delle pressioni
I trasduttori per il liquido di dialisi sono simili a quelli del circuito extra-
corporeo. In questo caso essi sono disposti in linea piuttosto che in
derivazione, per evitare di avere aree stagnanti.

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Circuito idraulico: altre funzionalità (II)
Dosaggio dei concentrati
Il liquido di dialisi viene prodotto miscelando acqua con sali o
concentrati liquidi secondo opportuni livelli di diluizione.
L’operazione si effettua attraverso un controllo in retroazione sulla
conducibilità elettrica del dialisato che agisce sulla velocità delle
pompe di aspirazione dei concentrati. Il controllo della conducibilità è
fatto insieme a quello sulla temperatura.

Rivelatori di perdite sangue
A causa di perdite o rotture nella membrana del dializzatore, il
paziente può perdere anche importanti quantità di globuli rossi. Per
limitare questo rischio, si posizionano dispositivi ottici che rivelano
presenza di globuli rossi nel circuito idraulico a valle del dializzatore.

Disinfezione del circuito di erogazione del liquido di dialisi
Per prevenire contaminazione e proliferazione batterica del dialisato.
Può essere termica (acqua a 90 - 95°C) oppure chimica.

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