Clinical evaluation of novel methods to determine dialysis parameters using conductivity cells

• Main Author: Goldau, Rainer
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2002
• Subjects: Hämodialyse; Erfolgskontrolle; Natriumchlorid; Membran; Diffusion; Harnstoff; Messung; ddc:570
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/263; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-3125; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-3125; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/263/goldau.pdf

During the last two decades an ongoing discussion about the necessary dose of dialysis brought the result that the urea based Kt/V value is significantly correlated to morbidity of the end stage renal disease (ESRD) patients. Even if it is not completely accepted, it seems to be more and more agreement of the nephrological community that for good dialysis practice Kt/V should be kept above 1.2 to 1.3 in the usual 3X4 hours per week dialysis schedule for patients without own residual clearance to assure long term quality of life, low morbidity and mortality. K is the clearance of urea the dialysis system can apply, t is the treatment time and V is the urea distribution volume of the patient, which is nearly equal to total body water. Kt/V has the unit of a drug dose (ml of drug per ml of patient volume) and therefore sometimes is called dialysis 'dose', even if this is subject of discussion because it implies that the dose can be described with only one urea related number. This work does not participate in this discussion. The premise of this work is more technical: Whatever the final result of the above discussion will be, a patient-friendly, precise cost-neutral and handy technical solution should be given to the hand of the interested nephrologist to continuously supervise the urea based Kt/V that is applied to the patient. Of course this is combined with the hope that the long term mortality can be decreased if a covering online dialysis success control is facilitated. The technical solution that has been chosen is based on the equivalence of the diffusion coefficients of sodium chloride and urea. It is central subject of the investigation if the diffusive behaviour of sodium is equal to that of urea crossing the dialysis filter membrane. The advantage that makes the principle so handy is that sodium can be measured very precise by standard conductivity cells as they are implemented in dialysis machines in large numbers. The only necessary hardware modification is a second conductivity cell downstream the dialyser to be able to measure the mass balance over the filter. This is more complicated with urea that can only be measured undergoing an enzymatic conversion to ammonium ions. The ammonium ions induce a membrane potential, which is measured with very sensitive amplifiers. A cooling chain for the enzyme must be maintained. To find and approve the conductivity based technical solution two in-vivo studies have been conducted. In the first study a conductivity step profile, varying the conductivity in static levels in a baseline - 7 min high - 7min low- baseline shape, was applied that can be utilised to measure the urea clearance very accurate. This principle has been described in 1982 in a patent application. In a sequence of 206 computer recorded dialysis sessions with 22 patients it was found that urea clearance could be electrolytically measured with a mean error+/-standard deviation of -1.46+/-4.75% , n=494. The measurement of Kt/V according to a single pool model was of similar accuracy: 2.88+/-4.15% . Although in accordance with other studies these findings at an average confirmed the high correlation of ionic and urea based clearance measurements, an effect was found that was not consistent with the theory that was existent so far. It was found in the first study that the accuracy of the step profile measurements were dependent of the size of the patient, in particular of the urea distribution volume. Moreover it was of relevance which part of the step profile was used: the high-low states, the baseline- low or the baseline-high states. This was a theoretical lack. Careful analysis led to the result that sodium transfer from and into the patient was the reason for the dependence. This led to the enhancement of the theory that seems to correctly describe the nature of the effect. A new demand now was to minimise the sodium transfer. This was limited using static step profiles because in the time it needs to become stable sodium is shifted. In consequence non-stable, dynamic short conductivity boli were developed that allowed to minimise the amount of sodium to be shifted to the limits of the technical resolution of the measurement systems. Also the associated mathematical tools to evaluate the boli had to be suited to the problem. After termination of this process a second study was conducted to approve the new method found. In this study with 10 patients and 93 sessions, 264 step profile measurements and 173 bolus ionic dialysance measurements it was found that the bolus measurements matched their related blood side urea clearance references with the outstanding accuracy of (error+/-SD) 0.06+/-4.76%. The result was not significantly different (p=0.87) from the reference by student's t-test for paired data. The Kt/V reference according to the single pool variable volume urea kinetic model (sPVVUKM) was found to be matched by the bolus principle with 5.32+/-3.9% accuracy and a correlation of 0.98. The remaining difference of 5.32% can be attributed to the neglect of the urea generation rate. Also the step profile was found to be very precise here. The error versus sPVVUKM was 0.05%+/-5%, r=0.96. However it did not image the neglect of urea generation correctly. Also a two pool modelling that comprises an internal compartimentation of the fluid pools of the patient was applied to the continuously recorded data. This two pool urea kinetic model (2PUKM) is regarded to be a more precise theoretical approach and now includes the urea generation. It found the bolus principle to deviate -3.04 +/- 14.3%, n.s., p=0.13. The high standard deviation is due to the complexity of the model. Further from the developed theory a simplified method to roughly measure the sodium distribution volume could be derived. This method was tested in-vitro versus a container with dialysate of known volume and in-vivo versus the urea distribution volume. The in-vitro results were -19.9+/-34%, r=0.92, n.s, p=0.916. In-vivo they were found to be -7.4+/-23.2%, r=0.71, n.s., p=0.39. Due to dilution theory the sodium and urea distribution volumes virtually appear to be very similar using this method, although they absolutely differ significantly. Facing the strong simplifications that were made before applying this theory these results seem to be very encouraging that it could be possible to develop a principle to measure not only K but also V electrolytically. This would allow a true Kt/V measurement. The empirical urea distribution volume measurement using anthropometrical formulas has been compared to analytical methods. It has been found that the use Watson's formula with a -13% correction gives good results. The correction should be applied with great care because it increases Kt/V just on a arithmetical base to the disadvantage of the patient. Also electrolytical plasma sodium measurement was evaluated and can be measured using a mixed analytic-empirical formula with an accuracy of 4.3+/-1.2%. In summary, conductivity based methods seem to be a convenient method to measure several dialysis parameters of some clinical interest without effort. The results of this work meanwhile are implemented with substantial numbers into commonly available dialysis machines and the experience of the first time shows that the principle is well accepted by the clinicians. === Eine die letzten beiden Jahrzehnte anhaltende Diskussion über die erforderliche Dosis Dialyse, die ein Patient benötigt, ergab, daß der Harnstoff-basierte Kt/V-Wert signifikant mit der Morbidität von ‚end stage renal deasease' (ESRD)- Patienten korreliert. Wenn auch nicht vollständig akzeptiert, so scheint es doch zunehmende Übereinkunft zwischen Nephrologen, daß eine angemessene Dialysebehandlung von Patienten ohne Restdiurese im Rahmen eines 3x4 Stunden pro Woche- Schemas mindestens einen Kt/V-Wert von 1.2 bis 1.3 ergeben sollte, um auf lange Sicht die Lebensqualität zu sichern und die Morbidität und Mortalität niedrig zu halten. K ist die vom Dialysesystem erbrachte Clearance, t die Behandlungszeit und V das Harnstoff-Verteilungsvolumen, welches dem Gesamt-Körperwasser nahezu gleicht. Kt/V wird in der Dosiseinheit (ml Medikament pro ml Körperwasser) ausgedrückt und daher auch häufig als Dialyse-‚Dosis' bezeichnet, auch wenn darüber wegen der Zusammenfassung in nur einer Harnstoff-korrelierten Zahl konträr diskutiert wird. Diese Arbeit besitzt eine eher technische Prämisse und möchte sich nicht an dieser Diskussion beteiligen. Sie möchte dem interessierten Nephrologen lediglich eine patientenfreundliche, präzise, kostenneutrale und leicht zu handhabende technische Lösung an die Hand geben, um kontinuierlich die in Kt/V ausgedrückte Dialysedosis zu überwachen. Natürlich ist damit auch die Hoffnung verbunden, daß die Langzeit-Sterblichkeit verringert werden kann, wenn eine flächendeckende, zeitnahe Erfolgskontrolle der Dialyse ermöglicht wird. Die gewählte technische Lösung basiert auf der Äquivalenz der Diffusionskoeffizienten von gelöstem Harnstoff und Natriumchlorid. Es ist das zentrale Anliegen dieser Studie, festzustellen, ob das Diffusionsverhalten von NaCl und Harnstoff beim Durchtritt durch die Membran des Dialysefilters gleich ist. Der entscheidende Vorteil, der das Verfahren so leicht handhabbar macht, besteht darin, daß NaCl-Konzentrationen sehr genau durch die ohnehin in großer Zahl in Dialysegeräten verwendeten Leitfähigkeitsmeßzellen bestimmt werden können. Um die NaCl-Massenbilanz über den Dialysefilter zu bestimmen, benötigt man lediglich eine weitere Meßzelle, die stromab des Filters zu installieren ist. Die Messung von Harnstoff, die indirekt über die enzymatische Zerlegung in Ammonium-Ionen und das anschließende Erzeugen eines hoch zu verstärkenden elektrischen Potentials an einer Membran geschieht, ist komplizierter. Zudem ist eine geschlossene Kühlkette für das Enzym sicher zu stellen. Um eine leitfähigkeitsbasierte technische Lösung abzusichern, wurden zwei klinische Studien durchgeführt. In der ersten Studie wurde die Leitfähigkeit in Form von konstanten Stufenprofilen variiert. Sie wurde ausgehend von der Grundlinie für 7 min erhöht und anschließend für 7 min erniedrigt. Das Prinzip einer solchen Messung wurde erstmals 1982 in einer Patentschrift beschrieben. In einer Sequenz von 494 solchen Messungen in 206 automatisch aufgezeichneten Dialysesitzungen an 22 Patienten wurde gefunden, daß sich die Harnstoff- Clearance elektrolytisch mit einer Genauigkeit von -1.46+/-4.75% (Fehler+/-Standardabweichung) messen ließ. Die Messung von Kt/V gemäß dem Ein-Kompartment-Modell ergab eine ähnliche Genauigkeit von 2.88+/-4.15%. Obgleich diese Ergebnisse in Übereinstimmung mit anderen Studien stehen, wurde ein Effekt bemerkt, der nicht in Einklang mit der zunächst bestehenden Theorie zu bringen war. Dieser Effekt besteht darin, daß die Genauigkeit der elektrolytischen Clearancemessung vom beim Patienten vorhandenen Harnstoff-Verteilungsvolumen abhängig war. Weiter war es nicht bedeutungslos, welchen Teil des dreiteiligen Stufenprofils man zur Auswertung heranzog: Den Grundlinie-Hoch- Übergang, den von der Grundlinie zum Niedrig-Nieveau oder den Hoch-Niedrig- Übergang. Dies deutete auf einen Mangel an theoretischem Verständnis hin. Eine genaue weitere Untersuchung führte zu dem Ergebnis, daß unerwünschter NaCl-Transfer vom und zum Patienten die Ursache für die Abhängigkeit vom Verteilungsvolumen war. Es wurde daraufhin die Theorie dahingehend erweitert, daß dieser Effekt korrekt und plausibel beschrieben werden konnte. Aus dieser Erweiterung ergab sich die neue Forderung, den NaCl-Transfer bei der Messung weitestgehend zu minimieren. Die Benutzung von Stufenprofilen stellte hier jedoch an sich eine Limitierung dar, da in der zum Einnehmen eines stabilen Zustandes erforderlichen Zeit zuviel NaCl über die Membran transferiert wurde. Die Konsequenz war, von den Stufenprofilen auf kurze, dynamische Leitfähigkeitsboli überzugehen, die erlaubten, die NaCl-Gabe auf das Maß zu verringern, welches aufgrund der technischen Auflösung erforderlich war. Hierzu mußten jedoch die notwendigen mathematischen Algorithmen neu zugeschnitten werden. Nach diesem Schritt wurde eine weitere klinische Studie gestartet, die den Zweck verfolgte, das neue Verfahren am Patienten zu verifizieren. In dieser Studie mit 10 Patienten und 93 Dialysesitzungen, 264 Stufenprofil- und 173 Bolus-Dialysancemesssungen wurde gefunden, daß die Bolus-Messungen ihre zugehörigen blutseitigen Referenzmessungen mit außergewöhnlicher Genauigkeit von 0.06+/-4.76% trafen. Student's t-Test für gepaarte Daten ergab, daß sich die Datensätze nicht signifikant unterschieden (p=0.87). Die blutseitige Kt/V-Referenz auf der Basis des equilibrierten Einkompartment-Modells mit variablem Volumen wurde mit 5.32+/-3.9% getroffen, wobei eine Korrelation von 0.98 erzielt wurde. Die verbleibende Differenz von 5.32% wird der Vernachlässigung der Harnstoff-Erzeugung während der Messung zugeschrieben. Auch das Stufenprofil zeigte trotz seiner Abhängigkeit vom Verteilungsvolumen gegenüber dem gleichen Modell einen mittleren Fehler von 0.05+/-5% bei einer Korrelation von 0.96. Jedoch konnte es die Vernachlässigung der Harnstoff-Erzeugung nicht korrekt abbilden. Die kontinuierlich aufgenommenen Daten wurden auch nach dem 2-pool Modell untersucht, welches auch die Harnstoff-Erzeugung enthält sowie eine innere Kompartimentierung des Patienten annimmt und damit die tatsächlichen Verhältnisse besser beschreibt. Danach weicht das Bolus-Meßprinzip -3.04+/-14.3% von der Referenz ab (n.s.,p=0.13). Die relativ hohe Standardabweichung wird mit der Komplexität des Modells erklärt. Weiter ist aus der Theorie zum Na-Transfer eine vereinfachende Methode zur Messung des Na-Verteilungsvolumens abgeleitet worden. Diese Methode wurde in-vitro gegen ein Behältnis mit einer bekannten Menge an Dialysat geprüft. Es wurde ein mittlerer Fehler von -19.9+/-34% gefunden. Die Korrelation war 0.92 (n.s., p=0.916). Die gleiche Prüfung fand in-vivo gegen das Harnstoff-Verteilungsvolumen statt und ergab einen mittleren Fehler von -7.4+/-23.2% (r=0.71, n.s., p=0.39). Es hat den Anschein, als würden sich gemäß der Theorie der Dilution die Verteilungsvolumina für Natrium und für Harnstoff scheinbar nur wenig unterscheiden, obwohl sie sich absolut natürlich deutlich unterscheiden. In Anbetracht der erheblichen Vereinfachungen, die bei der Ableitung dieses Ansatzes gemacht wurden, scheint es ausgesprochen ermutigend, auf diesem Weg möglicherweise ein Verfahren entwickeln zu können, welches auf rein elektrolytischem Wege nun nicht mehr nur K, sondern auch V und damit alle zur Quantifizierung gesuchten Größen analytisch ermitteln kann. Weiter wurde im Rahmen dieser Arbeit anhand der analytisch ermittelten Volumina verglichen, ob man mit Hilfe anthropometrischer Formeln zur Ermittlung des Harnstoff-Verteilungsvolumens zu einer guten Abschätzung kommen kann. Es wurde gefunden, daß man das Ergebnis der Watson-Formel um ca. 13% vermindern kann und dann zu einem recht guten Wert für das tatsächliche Harnstoff-Verteilungsvolumen gelangt. Dies ist jedoch mit Vorsicht und Erfahrung zu tun, da sich damit Kt/V rechnerisch zum Nachteil des Patienten verändert. Auch ein elektrolytisches Verfahren mit empirischen Komponenten zur Ermittlung des Plasma-Natriums des Patienten wurde erprobt und konnte mit einer Genauigkeit von 4.3+/-1.2% den Laborwert vorhersagen. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich im Rahmen dieser Arbeit die leitfähigkeitsbasierten Methoden zur Messung von einigen wichtigen Dialyseparametern als sehr nützlich für die klinische Praxis erwiesen haben und zudem mit keinem Zusatzaufwand für die Beteiligten verbunden sind. Das Ergebnis dieser Arbeit ist mittlerweile in größeren Stückzahlen in frei erhältliche Dialysegeräte implementiert worden. Die Erfahrung der ersten Zeit zeigt, daß das verwendete Prinzip von den Klinikern gut angenommen wird.