Scuola Estiva Di Robotica Medica Innovazione Medica E Bioingegneria

Scuola estiva di Robotica Medica

Innovazione Medica e Bioingegneria

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Innovazione Medica e Bioingegneria Ing. Maurizio Arabia [email protected] Ing. Francesco Maria Colacino [email protected] Università della Calabria, Dipartimento Di Ingegneria Meccanica

Ing. Fabio Piedimonte [email protected] Università Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dipartimento di Informatica Sistemi e Produzione

Gruppo di Lavoro Hybrid Life Machines (HLM) http://fabiop.altervista.org/hlm/hlm.html

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Introduzione

Introduzione

Modelli

Un banco prova ibrido

Il VAD e Il Ventricolo

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Innovazione Medica e Bioingegneria

Modellazione 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).

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

Introduzione

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Un banco prova ibrido

Il VAD e Il Ventricolo

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Schema Cardiocircolatorio di Guyton

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Il VAD e Il Ventricolo

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Circuito Idraulico corrispondente

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Il 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

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Il VAD e Il Ventricolo

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Regolazione Portata Cardiaca

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Analisi del sistema cardiovascolare Formalizzazione dei fenomeni cardiaci e analisi della dinamica del sistema a partire da osservazioni cliniche

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Studio 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 PassivaLunghezza e Forza Attiva-Lunghezza del muscolo.

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Il VAD e Il Ventricolo

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Fibra eccitata

Fibra non 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

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Il VAD e Il Ventricolo

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relazioni pressione-volume massima

(V0,P0)

relazioni pressione-volume minima

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Il VAD e Il Ventricolo

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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.

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Il VAD e Il Ventricolo

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Fiso(t)=1

ϕ

ϕ

Fiso(t)=0 Introduzione

A

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P

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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 cardiaco

C B

A

D

A

C Afterload B

AB: contrazione isometrica BC: eiezione CD: distensione isometrica DA: riempimento Introduzione

Modelli

A

Preload

D Un banco prova ibrido

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Aumento di preload

Afterload

Preload

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Aumenta la portata

Preload

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Aumento di afterload

Afterload Diminuisce la portata Afterload

Preload

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Il VAD e Il Ventricolo

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Misure in vivo del Ciclo P-V del Ventricolo Sinistro

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Il VAD e Il Ventricolo

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

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Il VAD e Il Ventricolo

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Su due dimensioni

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Il VAD e Il Ventricolo

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Rendimento Energetico

Area Blu η= Area Blu+Area Gialla+Area Rossa Introduzione

Modelli

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Il VAD e Il Ventricolo

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Atri, 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.

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Il VAD e Il Ventricolo

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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.

Introduzione

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Il VAD e Il Ventricolo

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Analogia elettrica di Maxwell • Pressione • Portata

Tensione Corrente

• Proprietà elastiche

• Dissipazioni

• Inerzia sangue

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Serbatoi

Condensatori

Strozzature

Resistenze

Condotti lunghi

Modelli

Induttori

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Gli atri Il 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

Introduzione

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Il VAD e Il Ventricolo

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

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Le valvole Le 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. Introduzione

Modelli

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Simbolo valvole

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Il circolo arterioso: modello di Gnudi (a 4 elementi)

• C: proprietà elastiche delle arterie; • LC: inerzia della massa di sangue; • RC: resistenza nei grandi vasi; • RP: resistenza nei capillari. Introduzione

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Il ritorno venoso: modello di Guyton

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

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Modelli

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Il VAD e Il Ventricolo

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Introduzione

Modelli

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Un banco prova ibrido

Il VAD e Il Ventricolo

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Progetto di un banco di prova ibrido per protesi cardiovascolari

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Modelli

Un banco prova ibrido

Il VAD e Il Ventricolo

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Cos’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… • 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… 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.

…e limiti 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. Introduzione

Modelli

Un banco prova ibrido

Il VAD e Il Ventricolo

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Il 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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Attuatore a monte della protesi

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Verso del fluido

Attuatore a valle della protesi

Protesi Serbatoio

Introduzione

Modelli

Un banco prova ibrido

Il VAD e Il Ventricolo

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Simulatore Ritorno Venoso, Atrio, Valvola Mitrale, Ventricolo

Introduzione

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Simulatore Valvola Aortica

Modelli

Un banco prova ibrido

Simulatore Circolo Sistemico

Il VAD e Il Ventricolo

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Attuatore a Valle della Protesi Simulatore Ritorno Venoso, Atrio, Valvola Mitrale, Ventricolo

Segnale Elettrico Introduzione

Segnale Elettrico

Fluido Valvola Aortica Reale

Simulatore Circolo Sistemico

Fluido Attuatore a Monte della Protesi

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Il VAD e Il Ventricolo

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Vantaggi 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.

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Modelli

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Il VAD e Il Ventricolo

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Il banco prova ibrido e le prove ex 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 assistenza cardiaca (VAD)

Introduzione

Modelli

Un banco prova ibrido

Il VAD e Il Ventricolo

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VAD

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Modelli

Un banco prova ibrido

Il VAD e Il Ventricolo

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Schema modello sperimentazione VAD

1 -> VAD -> 2 left ventricle apex aorta connection

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Dipendenza del ciclo P-V da Preload e Afterload

Afterload reduction:

• end diastolic volume decreases • end systolic volume decreases more • stroke volume increases

Preload reduction:

• end systolic volume decreases • end diastolic volume decreases more • stroke volume decreases

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Benefici dovuti all’azione di un VAD

Legge di Laplace σ = sollecitazione di parete; p = pressione nel sangue; σ= s = spessore di parete; r = raggio interno.

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p

 

s s 2 r r

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Cicli P-V determinati dai VAD (apex aorta) synchronous counterpulsation; in series operation mode (apex aorta) synchronous copulsation; in parallel operation mode (left atrium aorta) synchronous; in parallel operation mode (apex aorta) - non pulsatile rotary pump; in parallel or in series operation mode (apex aorta) asynchronous; in parallel and/or in series operation mode

150

150

125

125

100

100

pressu re (mmH g)

pressure (mmHg)

1 - VAD 2 - VAD 3 - VAD 4 - VAD 5 - VAD

75

75

50

50

25

25

0

0 0

20

40

60

80

100

volume (ml)

Introduzione

Modelli

120

0

140

Un banco prova ibrido

160

180 50

200

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Dipendenza della Sensibilità al Preload in Funzione del Ciclo P-V

Introduzione

Modelli

Un banco prova ibrido

Il VAD e Il Ventricolo

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Cicli P-V

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Cicli P-V

Introduzione

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Il VAD e Il Ventricolo

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Stato 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

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Il VAD e Il Ventricolo

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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. Introduzione

Modelli

Un banco prova ibrido

Il VAD e Il Ventricolo

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Possibili 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. Introduzione

Modelli

Un banco prova ibrido

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