x stream parte_ii_sistemi-per-dialisi

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

• Introduzione

• Il circuito extra-corporeo

• Il circuito idraulico

II^ parteSistemi per emodialisi


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).

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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.

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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 emodialisiUna 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.

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Schema di principio di una sistema per dialisi

Bicart

A

Circuito extra-corporeo

Circuito idraulico

Dializzatore

Sangue arteriosoSangue venosoLiquido di infusioneDialisato frescoDialisato post-filtro


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

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Pompa/siringa eparina

Rivelatorepressione venosa

Rivelatorepressione arteriosa

Paziente

Clampvenosa

RivelatoreAria/schiuma

Misuratore di pressionearteriosa sistemica

e frequenza cardiaca

Pompaperistalticaarteriosa

Cameraarteriosa

CameravenosaCamera

pre-filtro

Dializzatore

Pompaperistalticainfusione

Saccainfusione

Linea venosa

Linea arteriosa

Camerae rivelatore

fine-infusione

Circuito extra-corporeo (II)


Circuito extra-corporeo (III)

1 Linea arteriosa2 Linea venosa3 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 eparina9 Pompa sangue10 Dializzatore (Filtro)

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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 rotazioneQB = 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 anticoagulamentoPeriodiche 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.

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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:

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

STANDARD

Rischio ↑↑↑↑Tecnologia ↑↑↑↑ Dispositivi aggiuntivi


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);

1. Monitoraggio della pressione (I)

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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.

1. Monitoraggio della pressione (II)


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 richiedonodi 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.

2. Rivelatori d’aria

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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;

ricircolo ↑;

maggiori componenti meccanici;

uso di camere supplementari di espansione (consigliabile);

problemi aggiuntivi di sicurezza.

Efficienza ↓


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 clampvenosa (inefficienza)

fasi comandate da tempo o da pressione.

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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.


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).

Ta

Tv’ Tv’’

Qa

Qv’

Tempo

Flusso

Va

Vv Qa, Ta Ciclo arteriosoQv’, Tv’Qv’’, Tv’’

Ciclo venoso, DPCiclo venoso, SP

Dialisi con ago singolo (IV)

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Circuito idraulicoLa prima funzione del circuito idraulico è di erogare il liquido di dialisial 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.

Controllopressione

acqua Deareazionee

riscaldamento

Controlloultrafiltrazione

Dosaggioconcentratie controllo

conducibilità

Ingresso acqua

Scarico

Dializzatore

Schema a blocchi:


I sistemi di erogazione del liquido di dialisi si dividono in:

� ricircolanti o a passo singolo� singolo paziente o distribuzione centralizzata.

Sistemi ricircolantiI primi ad essere usati.

efficienza ridotta (ricircolo dialisato);

proliferazione batterica

⇒ T ↓ ⇒ scambi ↓

Sistemi di erogazione del liquido di dialisi (I)

Tanicadialisato

Pompadialisato

Filtro

Pompa UF

Accessovascolare

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Per migliorare l’efficienza si usa un volume più piccolo che viene riempito periodicamente.

Perdita di tempo per svuotare e riempire il circuito.

Preparatoredialisato

Pompadialisato Pompa UF

FiltroAccessovascolare

Scarico

V1

V2 V4

V3

Sistemi di erogazione del liquido di dialisi (II)


Sistemi a passo singoloE’ 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).

Sistemi di erogazione del liquido di dialisi (III)

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Sistemi di controllo dell’ultrafiltrazione1. 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.

Problemi:� TMP non stimato in modo completo e preciso;

� occorre tener conto della pressione osmotica;

� UFK dipende da vari parametri (ad es. Hct).

UFRControl

unit

dialyzer


1. Controllo della pressioneSistemi 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

Cambiamento di TMP per un errore di UF = 0.5 l/h

⇓

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;� volumetrici

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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 depressioneoppure 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).

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3. Controllo con misura di flusso

UFRControl

unitdialyzer

Il flusso in ingresso e uscita dal filtro viene misurato da due flussimetri, D1 e D2.

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 inuscita (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).


Sistema basato su una camera di bilanciamento che crea un sistema temporaneamente chiuso, ma senza ricircolo di dialisato.

Nella camera vi sono 2 comparti, divisi da una membrana, che si riempiono esvuotano 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.

4. Sistemi a controllo volumetrico (I)

UFRControl

unit

dialyzerfresh

dialysate

spentdialysate

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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.


Riscaldamento dell’acquaRagione 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.

DeareazioneScopi:�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 pressioniI 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.

Circuito idraulico: altre funzionalità (I)

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Dosaggio dei concentratiIl liquido di dialisi viene prodotto miscelando acqua con sali oconcentrati 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 sangueA causa di perdite o rotture nella membrana del dializzatore, ilpaziente 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 dialisiPer prevenire contaminazione e proliferazione batterica del dialisato. Può essere termica (acqua a 90 - 95°C) oppure chimica.

Circuito idraulico: altre funzionalità (II)

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