Characterization of a test bench for peripheral fluid exchange simulation in hemodialysis patients

This work aims to characterize a test bench for simulating peripheral fluid exchanges that occur in a uremic patient during hemodialysis treatment. The main objective is to achieve accurate and realistic reproduction of fluid transfer phenomena to predict the patient's specific response to treatment and develop more efficient dialysis therapies. The initial overview of the physiological aspects of the renal system and the nature of the pathological conditions that compromise its function plays a fundamental role in understanding the importance of hemodialysis. This therapy is extensively discussed, examining its mechanism of operation and highlighting its advantages and associated limitations. The present thesis proposes an in-depth analysis of the literature regarding the currently available physical and mathematical models to study the fluids and solutes exchanges between different body compartments, as well as a detailed study of the forces that drive their interaction. The thesis focuses on optimizing certain aspects of an existing physical simulator, specifically targeting the building-up processes of the capillary compartment and the adjustment of the pressure values that guide reabsorption and filtration phenomena to approximate physiological and pathological conditions.The work involves the implementation of automatic control of capillary pressure values and the exploration of new methods for reproducing physiological interstitial pressure. Furthermore, a thorough characterization of the hydraulic resistances present in the test bench has been conducted. These efforts have enabled the simulation of fluid exchange phenomena under various conditions, including those of a healthy subject, an edematous patient, and within the specific context of hemodialysis treatment.Finally, the results obtained from the simulations are presented, demonstrating the functional validity of the design choices made for the physical simulator, despite the introduced simplifications necessary to replicate complex biological interactions.

Il presente lavoro si propone di caratterizzare un banco di prova per la simulazione degli scambi periferici di fluidi che si verificano in un paziente uremico durante il trattamento emodialitico. L'obiettivo principale è raggiungere una riproduzione accurata e realistica dei fenomeni di trasferimento di fluidi al fine di prevedere la risposta specifica del paziente al trattamento e sviluppare terapie dialitiche più efficienti. La panoramica iniziale riguardo gli aspetti fisiologici del sistema renale e la natura delle condizioni patologiche che ne compromettono la funzione, riveste un ruolo fondamentale per comprendere l'importanza dell'approccio emodialitico. Tale terapia viene ampiamente discussa, esaminandone il meccanismo di funzionamento e mettendo in luce i suoi vantaggi e i limiti ad esso associati. La presente tesi propone un'analisi approfondita della letteratura relativa ai modelli fisici e matematici attualmente disponibili per studiare gli scambi di fluidi e soluti tra i diversi compartimenti corporei, nonché uno studio dettagliato delle forze che guidano la loro interazione. La tesi si focalizza sull'ottimizzazione di alcuni aspetti di un simulatore fisico esistente, concentrandosi in particolare sulla modifica dei processi di realizzazione del compartimento capillare e sulla regolazione dei valori di pressione che guidano i fenomeni di riassorbimento e filtrazione per approssimare le condizioni fisiologiche e patologiche. Il lavoro prevede l’implementazione del controllo automatico dei valori di pressione capillare e l’esplorazione di nuovi metodi per riprodurre la pressione interstiziale fisiologica. Inoltre, è stata condotta un’accurata caratterizzazione delle resistenze idrauliche presenti nel banco di prova. Questi sforzi hanno permesso di simulare i fenomeni di scambio di fluidi in diverse condizioni, tra cui quelle relative ad un paziente sano, ad un paziente edematoso e nel contesto specifico del trattamento emodialitico. Infine, vengono presentati i risultati derivanti dalle simulazioni, che dimostrano la validità funzionale delle scelte progettuali adottate per il simulatore fisico, nonostante la necessaria introduzione di semplificazioni per replicare interazioni biologiche complesse.