Characterization of hemodynamic conditions in tesio and palindrome central venous catheter for hemodialysis

Dialysis is the only treatment that patients with chronic kidney disease can perform while they are waiting for the organ transplant. This treatment greatly affects patients’ life because they have to go to specialized centres twice or three times a week and undergo dialysis treatment that lasts several hours (on average from four to five). The blood is withdrawn from the patient through a vascular access that is created by the nephrologist based on patient's health status, as well as vascular anatomy and quality. The vascular access of first choice is the arteriovenous fistula (AVF) that has lower risks of complications as compared to any other type of vascular access. Since AVF requires the presence of adequate native vessels and a maturation time of about 40 days, not all patients are suitable for the construction of this vascular access and the first alternative is the graft (AVG). In the case of elderly patients or those with vessels very damaged by pathological conditions, the last possibility is to insert a Central Venous Catheter (CVC). Computational fluid dynamics (CFD) is increasingly used in the evaluation of medical devices for cardio-vascular applications. The high spatial and temporal resolution of this technique and the possibility of studying 3D models, without the expensive efforts in terms of manufacturing time of experimental set-ups, allow a reliable and accurate characterization of the blood flow field. It therefore represents a promising approach to study the effect of some hemodialysis catheter design parameters and compare the performance of different catheters in terms of flow separation and blood recirculation regions. The main objective of the present thesis work is to set up a reliable method for the characterization of hemodynamic condition in patient-specific conditions, coupling imaging techniques and high-resolution CFD.

La dialisi è la sola terapia che i pazienti con insufficienza renale cronica possono effettuare in attesa del trapianto di organo. Questa terapia condiziona parecchio la vita dei pazienti in quanto devono recarsi presso i centri specializzati due o tre volte la settimana e sottoporsi al trattamento dialitico che dura diverse ore (in media dalle quattro alle cinque). Il sangue viene prelevato dal paziente tramite un accesso vascolare che viene deciso in base allo stato di salute del paziente e alle condizioni dei suoi vasi sanguigni. L’accesso vascolare di prima scelta è la fistola arterovenosa (AVF) in quanto garantisce un flusso ottimale del sangue e possiede una minore percentuale di fallimento. Poiché la fistola arterovenosa richiede la presenza di vasi nativi adeguati e un tempo di maturazione di circa 40 giorni, non tutti i pazienti risultano idonei per la costruzione di questo accesso vascolare e la prima alternativa è la fistola con graft (AVG). Nel caso di pazienti anziani o con vasi molto danneggiati dalle condizioni patologiche, la terza possibilità di accesso vascolare è tramite un Catetere Venoso Centrale (CVC). La fluidodinamica computazionale (CFD) è sempre più utilizzata nella valutazione di dispositivi medici per applicazioni cardio-vascolari. L'elevata risoluzione spaziale e temporale di questa tecnica e la possibilità di studiare modelli 3D, senza gli sforzi dispendiosi in termini di tempo di fabbricazione di set-up sperimentali, consentono una caratterizzazione affidabile e accurata del campo di flusso sanguigno. Essa rappresenta quindi un approccio promettente per studiare l'effetto di alcuni parametri di progetto del catetere per emodialisi e confrontare le prestazioni di cateteri diversi in termini di regioni di separazione del flusso e ricircolo del sangue. L’obiettivo principale del presente lavoro di tesi è quello di impostare un metodo affidabile per la caratterizzazione delle condizioni emodinamiche in casi specifici per ogni paziente, utilizzando sia tecniche di imaging che tecniche CFD.