Scuola Estiva Di Robotica Medica Innovazione Medica e Bioingegneria

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

mailto:[email protected]

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IntroduzioneIntroduzione

Modelli Un banco

prova ibrido Il VAD e

Il VentricoloIntroduzione


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


Il Ventricolo


• 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).



Il Ventricolo

• Un esempio di modello matematico è quello del sistema circolatorio sviluppato da A.C. Guyton nel 1968.



Schema Schema Cardiocircolatorio di Cardiocircolatorio di

GuytonGuyton



Il Ventricolo


Circuito Idraulico corrispondenteCircuito Idraulico corrispondente


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



Il Ventricolo


Regolazione Portata Regolazione Portata CardiacaCardiaca


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


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.



Il Ventricolo




Il Ventricolo

Fibra non eccitata

Fibra eccitata


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.



Il Ventricolo


(V0,P0)



Il Ventricolo

relazioni pressione-volume minima

relazioni pressione-volume massima


• 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.



Il Ventricolo


Fiso(t)=0

Fiso(t)=1

ϕ A

ϕ P



Il Ventricolo


• 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.



Il Ventricolo


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



Il Ventricolo


Afterload

PreloadPreload

Aumenta la portata



Il Ventricolo

Aumento di preload


Afterload

Preload

Afterload

Diminuisce la portata



Il Ventricolo

Aumento di afterload


Misure Misure in vivoin vivo del del Ciclo P-V del Ciclo P-V del

Ventricolo SinistroVentricolo Sinistro



Il Ventricolo


Il funzionamento di un ventricolo viene descritto dalla seguente funzione PORTATA-PRELOAD-AFTERLOAD



Il Ventricolo


Su due dimensioni



Il Ventricolo


Rendimento EnergeticoRendimento Energetico



Il Ventricolo

η=Area Blu

Area Blu+Area Gialla+Area Rossa


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.



Il Ventricolo


• 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.



Il Ventricolo


Analogia elettrica di MaxwellAnalogia elettrica di Maxwell• Pressione Tensione

• Portata Corrente

• Proprietà elastiche Serbatoi Condensatori

• Dissipazioni Strozzature Resistenze

• Inerzia sangue Condotti lunghi Induttori



Il Ventricolo


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



Il Ventricolo


Per le considerazioni fatte, nella modellizzazione dell’atrio si trascura il contributo della

contrattilità.



Il Ventricolo


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.



Il Ventricolo


Simbolo valvoleSimbolo valvole



Il Ventricolo


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.



Il Ventricolo


Il ritorno venoso: modello di GuytonIl ritorno venoso: modello di Guyton

Cvenosa: proprietà elastiche delle vene;Rvenosa: perdite di carico nelle vene.



Il Ventricolo




Il Ventricolo


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


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....



Il Ventricolo


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.



Il Ventricolo


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



Il Ventricolo


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.



Il Ventricolo




Il Ventricolo

Attuatore a monte della protesi

Attuatore a valle della protesi

Serbatoio

Protesi

Verso del fluido


Simulatore Ritorno Venoso,

Atrio, Valvola Mitrale,

Ventricolo

Simulatore Circolo

Sistemico

Simulatore Valvola Aortica



Il Ventricolo


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



Il Ventricolo


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.



Il Ventricolo


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...



Il Ventricolo


Recupero del cuore patologico mediante Recupero del cuore patologico mediante assistenza cardiaca (VAD)assistenza cardiaca (VAD)



Il Ventricolo


VADVAD



Il Ventricolo


Schema modello sperimentazione VADSchema modello sperimentazione VAD

1 -> VAD -> 2left ventricle apex

aorta connection



Il Ventricolo


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


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.



Il Ventricolo

σ=p

sr 2 sr


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

)



Il Ventricolo


Dipendenza della SensibilitDipendenza della Sensibilitàà al Preload in al Preload in Funzione del Ciclo P-VFunzione del Ciclo P-V



Il Ventricolo


Cicli P-VCicli P-V



Il Ventricolo


Cicli P-VCicli P-V



Il Ventricolo


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.



Il Ventricolo


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.



Il Ventricolo


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.



Il Ventricolo

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