Scuola estiva di Robotica Medica Innovazione Medica e BioingegneriaScuola estiva di Robotica Medica Innovazione Medica e Bioingegneria
Innovazione Medica e BioingegneriaInnovazione Medica e Bioingegneria
Ing. Maurizio Arabia Ing. Maurizio Arabia [email protected]@mclink.it
Ing. Francesco Maria Colacino Ing. Francesco Maria Colacino [email protected]@unical.it
Università della Calabria, Dipartimento Di Ingegneria MeccanicaUniversità della Calabria, Dipartimento Di Ingegneria Meccanica
Ing. Fabio Piedimonte Ing. Fabio Piedimonte [email protected]@yahoo.it
Università Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Università Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dipartimento di Informatica Sistemi e ProduzioneDipartimento di Informatica Sistemi e Produzione
Scuola estiva di Robotica MedicaScuola estiva di Robotica Medica
Gruppo di Lavoro Hybrid Life Machines (HLM)Gruppo di Lavoro Hybrid Life Machines (HLM)http://fabiop.altervista.org/hlm/hlm.html
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IntroduzioneIntroduzione
Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il VentricoloIntroduzione
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Modellazione in ingegneria ed in medicinaModellazione in ingegneria ed in medicina
Strumento per guadagnare conoscenza sul funzionamento del sistema fisico in studio.
In ingegneria l’obiettivo è la predizione del funzionamento di un sistema.
In medicina l’obiettivo è la diagnosi.
Recentemente è iniziata l’introduzione anche in medicina di tecniche di calcolo predittive.
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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• Le tecniche per realizzare un modello sono molteplici• Le soluzioni estreme sono:
– il modello hardware (ad es. una aorta artificiale costruita con materiali viscoelastici)
– il modello matematico (ad es. una rete di componenti discreti avente impedenza d’ingresso analoga a quella ottenibile da misure sulla aorta naturale).
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
• Un esempio di modello matematico è quello del sistema circolatorio sviluppato da A.C. Guyton nel 1968.
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Schema Schema Cardiocircolatorio di Cardiocircolatorio di
GuytonGuyton
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Circuito Idraulico corrispondenteCircuito Idraulico corrispondente
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Il modello di GuytonIl modello di Guyton• Le variabili sono rappresentate con i loro valori medi nel ciclo
(manca la pulsatilità cardiaca)
• I due ventricoli sono rappresentati mediante le relazioni portata media nel ciclo vs pressione media in atrio
• Consente lo studio della regolazione della portata cardiaca
• Ha tre ingressi controllati:
1. Pressione media circolatoria (pressione di riempimento)
2. Resistenze arteriosa sistemica
3. Resistenza arteriosa polmonare
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Regolazione Portata Regolazione Portata CardiacaCardiaca
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Analisi del sistema cardiovascolareAnalisi del sistema cardiovascolareFormalizzazione dei fenomeni cardiaci e analisi Formalizzazione dei fenomeni cardiaci e analisi
della dinamica del sistema a partire da della dinamica del sistema a partire da osservazioni clinicheosservazioni cliniche
Un banco prova ibrido
Il VAD e Il Ventricolo
ModelliIntroduzione
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Studio di dinamica cardiacaStudio di dinamica cardiaca
Comportamento della fibra muscolare cardiaca
• analisi del comportamento elastico di una singola fibra ventricolare non eccitata;
• analisi del comportamento elastico di una singola fibra ventricolare eccitata ;
Sono state trovate rispettivamente le relazioni Forza Passiva-Lunghezza e Forza Attiva-Lunghezza del muscolo.
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
Fibra non eccitata
Fibra eccitata
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L’analisi è fatta su una fibra monodimensionale, il ragionamento può essere esteso considerando la forma geometrica del ventricolo.
Si ottengono dei grafici simili, nei quali il ruolo della forza è svolto dalla pressione all’interno del ventricolo, il ruolo della lunghezza è svolto dal volume del ventricolo.
Le curve trovate rappresentano le relazioni pressione-volume minima (assenza di stimolazione) e massima (massima stimolazione) del muscolo del ventricolo.
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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(V0,P0)
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
relazioni pressione-volume minima
relazioni pressione-volume massima
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• Il tessuto del ventricolo passa continuamente dallo stato diseccitato allo stato eccitato (e viceversa).
• La relazione pressione - volume è una curva che varia con continuità nel tempo ed è compresa tra le due curve estreme.
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Fiso(t)=0
Fiso(t)=1
ϕ A
ϕ P
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Il Ventricolo
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• La pressione ed il volume del ventricolo sono il risultato dell’interazione tra ventricolo e ciò con cui esso è connesso: atri, valvole e sistema circolatorio.
• Istantaneamente lo stato del ventricolo può essere rappresentato da un punto, che descrive una curva nel piano PV chiusa, nota come ciclo di lavoro del ventricolo.
• Per ricavare qualitativamente un ciclo di lavoro si considerano le pressioni medie nel ciclo a monte –PRELOAD – e a valle –AFTERLOAD – del ventricolo.
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Le quattro fasi del ciclo Le quattro fasi del ciclo cardiacocardiaco
AB: contrazione isometricaBC: eiezioneCD: distensione isometricaDA: riempimento
A
D
B
C
Preload
Afterload
A A
B
D
C
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Afterload
PreloadPreload
Aumenta la portata
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Il Ventricolo
Aumento di preload
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Afterload
Preload
Afterload
Diminuisce la portata
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Il Ventricolo
Aumento di afterload
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Misure Misure in vivoin vivo del del Ciclo P-V del Ciclo P-V del
Ventricolo SinistroVentricolo Sinistro
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Il funzionamento di un ventricolo viene descritto dalla seguente funzione PORTATA-PRELOAD-AFTERLOAD
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Su due dimensioni
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Rendimento EnergeticoRendimento Energetico
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prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
η=Area Blu
Area Blu+Area Gialla+Area Rossa
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Atri, Valvole e Sistema CircolatorioAtri, Valvole e Sistema Circolatorio
Per poter simulare il sistema cardiovascolare nel suo complesso è necessario introdurre i modelli degli altri elementi del sistema:
• atri;
• valvole;
• circoli arteriosi e ritorni venosi.
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
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• rappresentazione a parametri distribuiti: si valuta la velocità e la pressione del sangue in ogni punto del tronco.
• rappresentazione ingresso/uscita a compartimenti: ignora il fenomeno locale e mette in evidenza le proprietà globali. Si misurano pressione e portata nel punto del tronco di interesse e si stima la relazione che lega le due grandezze. Si può suddividere il tronco in una serie di celle che rappresentano:
• le proprietà elastiche radiali del tronco;• le dissipazioni di energia dovute ai fenomeni fluidodinamici;• i fenomeni di inerzia del fluido.
Con questa rappresentazione è possibile far uso dell’analogia elettrica di Maxwell.
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Analogia elettrica di MaxwellAnalogia elettrica di Maxwell• Pressione Tensione
• Portata Corrente
• Proprietà elastiche Serbatoi Condensatori
• Dissipazioni Strozzature Resistenze
• Inerzia sangue Condotti lunghi Induttori
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Gli atriGli atriIl comportamento dell’atrio può essere descritto in modo
analogo a quello di un ventricolo.
• La contrattilità atriale facilita il completamento del riempimento ventricolare e si manifesta, soprattutto, in condizioni di alta portata e alta frequenza cardiaca.
• La relazione pressione-volume massima di un atrio in condizioni normali risulta notevolmente inferiore ai valori che si raggiungono nella contrazione ventricolare.
• La durata della contrazione atriale risulta sensibilmente più breve della contrazione ventricolare
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Per le considerazioni fatte, nella modellizzazione dell’atrio si trascura il contributo della
contrattilità.
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Le valvoleLe valvoleLe valvole consentono il moto del sangue solo in un senso,
a meno di riflussi.
• Quando il sangue spinge i lembi della valvola nella direzione favorevole all’apertura, la valvola si apre e, dopo un breve transitorio riferito alla fase di apertura, si comporta come una resistenza di valore molto basso.
• Viceversa, quando il moto del sangue si inverte i lembi si chiudono e la valvola si comporta come una resistenza di valore molto alto.
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Simbolo valvoleSimbolo valvole
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Il circolo arterioso: modello di Gnudi Il circolo arterioso: modello di Gnudi (a 4 elementi)(a 4 elementi)
• C: proprietà elastiche delle arterie;
• LC: inerzia della massa di sangue;
• RC: resistenza nei grandi vasi;
• RP: resistenza nei capillari.
Introduzione Modelli Un banco
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Il ritorno venoso: modello di GuytonIl ritorno venoso: modello di Guyton
Cvenosa: proprietà elastiche delle vene;Rvenosa: perdite di carico nelle vene.
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Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Progetto di un banco di prova ibrido per Progetto di un banco di prova ibrido per protesi cardiovascolariprotesi cardiovascolari
Introduzione Il VAD e
Il Ventricolo Modelli
Un banco prova ibrido
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Cos’è un Banco ProvaCos’è un Banco Prova
Un banco prova è uno strumento atto a sperimentare e collaudare un oggetto di cui si vogliono comprendere appieno le funzionalità e le potenzialità. Il banco prova deve essere in grado riprodurre le condizioni di lavoro dell’oggetto in collaudo.
Nel campo della Bioingegneria gli oggetti in collaudo sono protesi cardiovascolari, quali valvole artificiali, VAD, cuori artificiali, cannule, etc....
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Utili a…Utili a…
• I banchi prova, quindi, sono utili ai progettisti nella fase di sviluppo di prototipi, per fornire feedback per migliorare il prototipo stesso.
• Sono utili agli organismi preposti alla certificazione(FDA, ISS) del funzionamento di protesi in commercio verificandone la conformità ai protocolli di controllo e catalogandone le finalità.
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Banchi prova tradizionali…Banchi prova tradizionali…I banchi prova attualmente in uso sono realizzati con circuiti
idraulici e pompe che realizzano più o meno fedelmente i modelli matematici componenti il sistema cardiovascolare descritti precedentemente.
1. Difficoltà nel realizzare componenti idraulici con proprietà di COMPLIANCE, INERTANZA e RESISTENZA ideali.
2. Scarsa flessibilità;3. Impossibilità di realizzare modelli accurati.4. Il costo per l’allestimento del banco cresce proporzionalmente alla
complessità del modello.
……e limitie limiti
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Il Banco Prova IbridoIl Banco Prova Ibrido
Con ibrido si intendono macchine che utilizzano una realizzazione parte software (su calcolatore) e parte hardware (meccanica) del sistema in studio.
La soluzione proposta consiste nel “tradurre” idraulicamente solo il componente in prova lasciando al calcolatore il compito di “rappresentare”, simulandolo, il resto del sistema cardiocircolatorio.
La comunicazione tra il componente in prova e l’ambiente software avviene per mezzo di opportune interfacce elettroidrauliche.
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
Attuatore a monte della protesi
Attuatore a valle della protesi
Serbatoio
Protesi
Verso del fluido
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Simulatore Ritorno Venoso,
Atrio, Valvola Mitrale,
Ventricolo
Simulatore Circolo
Sistemico
Simulatore Valvola Aortica
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Simulatore Ritorno Venoso,
Atrio, Valvola Mitrale,
Ventricolo
Simulatore Circolo
Sistemico
Valvola Aortica Reale
Attuatore a Monte della
Protesi
Attuatore a Valle della
Protesi
Fluido
Fluido
SegnaleElettrico
SegnaleElettrico
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Vantaggi di una realizzazione ibridaVantaggi di una realizzazione ibrida
Vengono a cadere tutti i limiti propri dei banchi prova tradizionali:
1. E’ possibile riprodurre le proprietà di COMPLIANCE, RESISTENZA e INERTANZA ideali, e quindi senza introdurre errori;
2. Elevata flessibilità;3. Possono essere realizzati anche modelli molto accurati
semplicemente sfruttando le capacità di calcolo dell’elaboratore (numero di elementi elevato, nuovi modelli più complessi);
4. Il costo del banco è quasi indipendente dalla complessità del modello.
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Il banco prova ibrido e le prove Il banco prova ibrido e le prove ex vivoex vivo
Il banco, opportunamente modificato per evitare l’emolisi del sangue, può essere utilizzato per effettuare prove ex vivo sul cuore o su tronchi di arteria.
Così facendo potrebbe essere possibile valutare gli effetti di una terapia: somministrazione di un farmaco, impianto di un VAD, etc...
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Recupero del cuore patologico mediante Recupero del cuore patologico mediante assistenza cardiaca (VAD)assistenza cardiaca (VAD)
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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VADVAD
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Schema modello sperimentazione VADSchema modello sperimentazione VAD
1 -> VAD -> 2left ventricle apex
aorta connection
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Dipendenza del ciclo P-V da Preload e AfterloadDipendenza del ciclo P-V da Preload e Afterload
Afterload reduction:• end diastolic volume decreases• end systolic volume decreases more• stroke volume increasesPreload reduction:• end systolic volume decreases• end diastolic volume decreases more• stroke volume decreases
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Benefici dovuti all’azione di un VADBenefici dovuti all’azione di un VAD
Legge di LaplaceLegge di Laplaceσ == sollecitazione di parete;sollecitazione di parete;
p = pressione nel sangue;p = pressione nel sangue;
s = spessore di parete;s = spessore di parete;
r = raggio interno.r = raggio interno.
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Il Ventricolo
σ=p
sr 2 sr
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Cicli P-V determinati dai VADCicli P-V determinati dai VAD1 - VAD (apex aorta) synchronous counterpulsation; in series operation mode
2 - VAD (apex aorta) synchronous copulsation; in parallel operation mode
3 - VAD (left atrium aorta) synchronous; in parallel operation mode
4 - VAD (apex aorta) - non pulsatile rotary pump; in parallel or in series operation mode
5 - VAD (apex aorta) asynchronous; in parallel and/or in series operation mode
0 50 100 150 200
0
25
50
75
100
125
150
volume (ml)
pre
ss
ure
(m
mH
g)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
25
50
75
100
125
150
volume (ml)
pre
ssu
re (
mm
Hg
)
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Dipendenza della SensibilitDipendenza della Sensibilitàà al Preload in al Preload in Funzione del Ciclo P-VFunzione del Ciclo P-V
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prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Cicli P-VCicli P-V
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prova ibrido Il VAD e
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Cicli P-VCicli P-V
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prova ibrido Il VAD e
Il Ventricolo
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Stato dell’arteStato dell’arte
• I VAD migliorano la perfusione del paziente, ma non tutti migliorano il comportamento meccanico del ventricolo assistito, condizione necessaria al recupero del cuore patologico
• Il miglioramento, se presente (VAD pulsatile collegato tra apice del ventricolo ed aorta funzionante sincrono in contropulsazione), non è controllato e neppure ottimizzato.
L’afterload (ridotto) del ventricolo assistito è determinato dalla cannula apicale e dalla pressione nel VAD pari a circa zero data la sua diastole passiva.
Introduzione Modelli Un banco
prova ibrido Il VAD e
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Cosa è possibile fare…Cosa è possibile fare…
• Controllare l’impedenza (rapporto Pressione/Portata), e quindi l’afterload, all’ingresso della cannula apicale mediante la diastole attiva del VAD, rendendola analoga a quella aortica.
Il ciclo PV del ventricolo risulterebbe più simile al fisiologico a favore del suo recupero.
• Stimare periodicamente i parametri meccanici del ventricolo assistito per caratterizzare l’impedenza che tramite la diastole attiva il controllo deve realizzare.
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Possibili sviluppi futuri a breve terminePossibili sviluppi futuri a breve termine• I parametri di valutazione dei VAD verranno integrati con
quelli relativi al miglioramento del funzionamento meccanico del ventricolo assistito: riduzione del volume medio, delle sollecitazioni di parete, aumento del rendimento energetico meccanico.
• Sviluppo di qualche strategia di controllo dell’afterload del ventricolo assistito.
• I metodi per la stima di parametri meccanici del ventricolo assistito saranno di uso comune.
• Lo sviluppo e le prime applicazioni della “prossima generazione” di VAD avverranno nei centri di bioingegneria inseriti nelle cliniche universitarie.
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