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Progetto di un banco prova per la sperimentazione di protesi cardiovascolari, presentazione della tesi di laurea di Fabio Piedimonte, discussa il 10 Maggio 2001.Il banco prova ha la caratteristica di essere ibrido: l'ambiente di funzionamento della protesi è software, e si interfaccia alla protesi attraverso degli attuatori elettroidraulici.
Citation preview
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
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