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II^ parte:

Sistemi per emodialisi:

il circuito extra-corporeo.

Accessi vascolari in dialisi

Università degli Studi di BolognaCarlo Alberto Lodi

Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica II Facoltà di Ingegneria – Sede di Cesena

Corso di Organi Artificiali

OA 2.2

Introduzione sui sistemi per emodialisi

II^ parteCircuito extra-corporeo e accessi vascolari in dialisi

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OA 2.3

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 2.4

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.

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OA 2.5

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 2.6

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.

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OA 2.7

Emodialisi: un po’ di storia (III)

� L’emodialisi viene impiegata nella Guerra di Corea (1952).

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

OA 2.8

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.

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OA 2.9

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 2.10

Emodialisi: un po’ di storia (VI)

� L’emodialisi si diffonde nel mondo (1962-1965).

Europa, 1965:

~ 160 pazienti cronici

~ 40 centri dialisi

� Il primo programma di dialisi cronica (Seattle, US, 1960).

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OA 2.11

Emodialisi: un po’ di storia (VII)

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

� Introduzione della distribuzione centralizzata di dialisato (Seattle, US, 1963).

� Introduzione dei sistemi “single-pass”, alternativi a quelli a ricircolo di dialisato (Seattle, US, 1964).

OA 2.12

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).

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OA 2.13

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 2.14

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.

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OA 2.15

Schema di principio di una sistema per dialisi

Bicart

A

Circuito extra-corporeo

Circuito idraulico

Dializzatore

Sangue arteriosoSangue venosoLiquido di infusioneDialisato frescoDialisato post-filtro

OA 2.16

Il circuito extra-corporeo

II^ parteCircuito extra-corporeo e accessi vascolari in dialisi

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OA 2.17

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 2.18

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)

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OA 2.19

Circuito extra-corporeo (III)

1 Linea arteriosa2 Linea venosa3 Camera d’espansione

arteriosa4 Camera d’espansione

venosa5 Membrane per

misura di pressione6 Linee di infusione

arteriosa7 Linea di infusione

venosa8 Pompa eparina9 Pompa sangue10 Dializzatore (Filtro)

OA 2.20

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 * ωωωωω = 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)

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OA 2.21

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 2.22

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)

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OA 2.23

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 2.24

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.

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OA 2.25

Strategia di riduzione del rischio

Stato dell’arte convenzionale Rischio:

Severità e probabilità

Mitigazione del rischio:•Dispositivi specifici capaci di generare allarmi e di predisporre stati di sicurezza

•Procedure obbligate indipendenti dall’operatore

•Informazione e prescrizioni d’uso

Rischio residuo:

Severità e probabilità

Nuovo stato

dell’arte

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 2.26

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.

1. Monitoraggio della pressione (I)

Profilo di pressione in un circuito EC

���� - pressione arteriosa pre-pompa

���� - pressione arteriosa pre-filtro

���� - pressione venosa

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OA 2.27

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 2.28

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.

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OA 2.29

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, lenorme 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.

2. Rivelatori d’aria

OA 2.30

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;

� ricircolo ↑;

� maggiori componenti meccanici;

� uso di camere supplementari di espansione (consigliabile);

� problemi aggiuntivi di sicurezza.

Efficienza ↓

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OA 2.31

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.

OA 2.32

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.

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OA 2.33

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)