Università degli studi di Roma “Tor Vergata”

Facoltà di ingegneria

Tesi di Laurea in Ottimizzazione dei Sistemi di Controllo

Progetto di un banco di prova per la

sperimentazione di protesi

cardiovascolari

Relatore

Prof. Paolo Valigi

Correlatore

Ing. Maurizio Arabia

Candidato

Fabio Piedimonte

fabio.piedimonte@yahoo.it

http://fabiop.altervista.org/

Premessa

• Una protesi cardiovascolare è un organo artificiale in grado di sostituire o coadiuvare con il suo funzionamento un organo patologico. Esempi di protesi sono: valvole e cuori artificiali, organi di assistenza ventricolare (VAD).

• Un banco di prova è una struttura tale da permettere la sperimentazione di protesi. Deve essere tale da simulare e realizzare fisicamente le condizioni di lavoro nelle quali dovrà funzionare la protesi una volta installata.

Motivazioni della Tesi

I banchi di prova attualmente in uso sono costituiti da circuiti idraulici che:

• sono disegnati in funzione esclusivamente della protesi che si vuole sperimentare;

• non sono in grado di simulare condizioni realistiche di funzionamento.

Obiettivo della Tesi

Sviluppo di un banco di prova flessibile, atto a:

• sperimentare il comportamento di una protesi cardiovascolare in condizioni di funzionamento realistiche e variabili nel tempo;

• sperimentare il comportamento di protesi cardiovascolari anche molto diverse tra loro (cuori artificiali, valvole, etc.).

Contributi della Tesi

• Progetto dello schema generale di un banco di

prova ibrido, nel quale le condizioni di lavoro

della protesi sono simulate a livello software e

realizzate fisicamente con delle interfacce,

che nel corso del lavoro verranno definite

attuatori controllati. In particolare si è

disegnata e modellizzata la struttura degli

attuatori e si è studiato come controllarli e

farli funzionare per ottenere le prestazioni

desiderate.

Indice

• Modelli di sistemi cardiovascolari

• Banchi di prova tradizionali

• Banco di prova ibrido

• Attuatori Controllati

• Risultati ottenuti

• Conclusioni e sviluppi futuri

Modelli di Sistemi

Cardiovascolari

• Analogia elettrica:

QI

PV

• Resistenze: descrivono gli attriti tra il

fluido e le pareti del tubo.

QRP

Modelli di Sistemi Cardiovascolari

• Inertanze: tengono conto dell’inerzia del

fluido

• Compliance: schematizzano variazioni di

volume in un elemento elastico.

dt

PdCQ

)(

dt

dQLP

• Modello ad elastanza variabile per

ventricoli:

)(])([)()( 00 tQRVtVtEPtP

)()()( tfEEEtE MINMAXMIN

PERISO

ISO

ISO

TtT

TtT

t

tf

0

02

2cos1

)(

Modelli di Sistemi Cardiovascolari

Modelli di Sistemi Cardiovascolari

• Modello dell’atrio:

• Modello delle valvole:

Modelli di Sistemi Cardiovascolari

• Modello del circolo sistemico:

• Modello del sistema venoso:

Modelli di Sistemi Cardiovascolari

• Il cuore artificiale:

Modelli di Sistemi Cardiovascolari

• Il VAD (Ventricular Assist Device):

Modelli di Sistemi Cardiovascolari

• Il modello delle cannule

Indice

• Modelli di sistemi cardiovascolari

• Banchi di prova tradizionali

• Banco di prova ibrido

• Attuatori Controllati

• Risultati ottenuti

• Conclusioni e Sviluppi futuri

Banchi di Prova Tradizionali

• Realizzazione di resistenze, inertanze e

compliance.

Banchi di Prova Tradizionali

Indice

• Modelli di sistemi cardiovascolari

• Banchi di prova tradizionali

• Banco di prova ibrido

• Attuatori Controllati

• Risultati ottenuti

• Conclusioni e sviluppi futuri

Banco di Prova Ibrido

Banco di Prova Ibrido

Banco di Prova Ibrido

• Sistema forzato in portata: si misura la pressione, si calcola la portata che avrebbe il componente cardiovascolare e la si forza con l’attuatore.

• Sistema forzato in pressione si misura la portata, si calcola la pressione che avrebbe il componente cardiovascolare e la si forza con l’attuatore.

I blocchi attuatore controllato e software devono realizzare le funzioni P=f(Q) o Q=g(P) dei componenti cardiovascolari del banco.

Indice

• Modelli di sistemi cardiovascolari

• Banchi di prova tradizionali

• Banco di prova ibrido

• Attuatori Controllati

• Risultati ottenuti

• Conclusioni e sviluppi futuri

Attuatori Controllati

Modulatore di

portata

Pompa a flusso

continuo roller

Attuatori Controllati

S

AR

M

rifR

e

M

R

A

e

M

RRRR

M

R

A

A

Q

J

C

V

JR

k

P

R

kR

JToSI

J

passoS

C

Spasso

C

Tubo

CR

dt

ddt

ddt

dP

10

00

01

0

0

00

10

2

00

2

1

,

2

Attuatori Controllati

Specifiche desiderate:

• stabilità asintotica;

• riferimenti per le pompe roller assimilabili a gradini;

• oscillazione del pistone nel cilindro centrata rispetto alla massima corsa possibile;

• errore sul riferimento di pressione fornito dal blocco software trascurabile per ogni valore di portata.

Attuatori Controllati

Disaccoppiamento componente continua della portata da quella pulsatile e riferimenti per la roller.

• Con il modulatore vengono compensate tutte le componenti pulsatili della portata, inserendo nel suo modello quest’ultime.

• Il riferimento della roller è dato dal valor medio di portata nell’attuatore incrementato della componente continua delle sue perdite

Attuatori Controllati

Controllo centratura oscillazioni del pistone:

• si calcola di quanto il centro delle oscillazioni del

pistone si scosta dal piano mediano del cilindro;

• si corregge il riferimento di portata della pompa

roller di una quantità proporzionale a questo

scostamento.

Effetti: se nel modulatore vi era un eccesso o

un difetto di fluido, questo viene compensato

dalla pompa roller.

Attuatori Controllati

Controllo modulatore allargato (modulatore +

componenti pulsatili della portata nella roller):

• si introduce un polo nell’origine per compensare

disturbi a gradino;

• per chiudere la catena di controllo si possono

usare o un controllore PI oppure un controllore

in . Il primo è più semplice ma fornisce

prestazioni in frequenza insufficienti, il secondo è

più complesso ma fornisce un controllore con

prestazioni globali migliori

RH

Attuatori Controllati

Attuatori Controllati

Indice

• Modelli di sistemi cardiovascolari

• Banchi di prova tradizionali

• Banco di prova ibrido

• Attuatori Controllati

• Risultati ottenuti

• Conclusioni e sviluppi futuri

Risultati Ottenuti

Risultati Ottenuti

Indice

• Modelli di sistemi cardiovascolari

• Banchi di prova tradizionali

• Banco di prova ibrido

• Attuatori Controllati

• Risultati ottenuti

• Conclusioni e sviluppi futuri

Conclusioni• Necessità e sviluppo di un banco di prova

ibrido per protesi cardiovascolari.

• Modellizzazione e controllo degli attuatori controllati

Sviluppi futuri

• Realizzazione del banco• Scelta del controllore del modulatore

• Sperimentazione di protesi

cardiovascolari