Correlation analysis between sessions settings and patient-specific parameters in a predictive model of haemodialysis response

Dialysis is a lifesaving treatment that is performed when renal insufficiency occurs. The progressive increase in the number of uremic patients and the impact on the patient’s cardio-vascular and hydro-electrolytic equilibrium give rise to the need of customized treatments. In fact, the patient-specific response can be very different even when the setting of the treatment is similar, so it is necessary to study it through mathematical models being able to describe and predict the dynamics of the dialysis sessions. The present work is based on an existing patient-specific model developed at Politecnico di Milano. It is a parametric multi-compartment kinetic model implemented in Matlab®, in which the customization is obtained by the definition of three patient-specific parameters (ρ, k, η) related to the membranes across which the fluid and mass transports occur; the body compartments are represented as two pools (intracellular and extracellular) for the mass exchange of solutes, and as three pools (plasmatic, interstitial, and intracellular) for the fluid transfer. The aim of this work is the analysis of the related outputs to evaluate the variability of the estimated patient-specific parameters depending on patient’s characteristics and therapy settings: to achieve this purpose, the acquisition of real data related to dialysis sessions was performed in the frame of the INTERREG Interactive-HD 2.0 Project. Results from the correlation analysis performed in Matlab® highlighted that ρ, the parameter that regulates the permeability of the capillary membrane, assumes lower values in younger people undergoing HDF. k parameters, that modulates the mass transfer efficiency across the cellular membrane and account for both active and passive transport individual variations, seem to be more sensitive to ultrafiltration rate and therapy technique (SHD or HDF) while η parameters, modulating dialyzer membrane efficiency and representing blood-to-filter membrane interactions, appear to be related with baseline conditions of the patients.

La dialisi è un trattamento salvavita a cui si sottopongono pazienti affetti da insufficienza renale. Il progressivo aumento del numero di pazienti e l'impatto del trattamento dialitico sull'equilibrio cardio-vascolare e idro-elettrolitico implicano la necessità di trattamenti personalizzati. Infatti, la risposta paziente-specifica può essere molto diversa anche quando il trattamento impostato è simile: si rende quindi necessario l’utilizzo di modelli matematici in grado di descrivere e prevedere la dinamica delle sedute di dialisi. Il presente lavoro si basa su un modello paziente-specifico sviluppato presso il Politecnico di Milano. Si tratta di un modello multicompartimentale implementato in Matlab®, in cui vengono definiti tre parametri paziente-specifici (ρ, k, η) relativi alle membrane attraverso le quali avvengono i trasporti di fluido e massa; vengono identificati due compartimenti (intracellulare ed extracellulare) per lo scambio di massa e tre (plasmatico, interstiziale e intracellulare) per lo scambio di fluidi. Lo scopo di questo lavoro è l'analisi dei relativi output per valutare la variabilità dei parametri paziente-specifici a seconda delle caratteristiche del paziente e delle impostazioni terapeutiche: l'acquisizione di dati relativi a reali sedute di dialisi è stata eseguita nell'ambito del progetto INTERREG Interactive-HD 2.0. I risultati dell'analisi di correlazione effettuata in Matlab® hanno evidenziato che ρ, il parametro che regola la permeabilità della membrana capillare, assume valori più bassi nei giovani sottoposti a HDF. I parametri k, che modulano l'efficienza di trasferimento di massa attraverso la membrana cellulare e tengono conto delle variazioni individuali di trasporto attivo e passivo, sembrano essere più sensibili alla velocità di ultrafiltrazione e alla tecnica terapeutica (SHD o HDF) mentre i parametri η, che modulano l'efficienza della membrana del dializzatore e rappresentano le interazioni sangue-filtro sembrano essere correlati alle condizioni iniziali dei pazienti.