Progetto di un banco di prova per la. sperimentazione di protesi cardiovascolari

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1 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 Relatore Prof. Paolo Valigi sperimentazione di protesi cardiovascolari Candidato Fabio Piedimonte Correlatore Ing. Maurizio Arabia

2 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.

3 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.

4 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.).

5 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.

6 Indice Modelli di sistemi cardiovascolari Banchi di prova tradizionali Banco di prova ibrido Attuatori Controllati Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri

7 Modelli di Sistemi Analogia elettrica: Cardiovascolari V I P Q Resistenze: descrivono gli attriti tra il fluido e le pareti del tubo. P R Q

8 Modelli di Sistemi Cardiovascolari Inertanze: tengono conto dell inerzia del fluido P Compliance: schematizzano variazioni di volume in un elemento elastico. Q C L dq dt d(p) dt

9 Modello ad elastanza variabile per ventricoli: ) ( ] ) ( [ ) ( ) ( 0 0 t Q R V t V t E P t P ) ( ) ( ) ( t f E E E t E MIN MAX MIN PER ISO ISO ISO T t T T t T t t f cos 1 ) ( Modelli di Sistemi Cardiovascolari

10 Modelli di Sistemi Cardiovascolari Modello dell atrio: Modello delle valvole:

11 Modelli di Sistemi Cardiovascolari Modello del circolo sistemico: Modello del sistema venoso:

12 Modelli di Sistemi Cardiovascolari Il cuore artificiale:

13 Modelli di Sistemi Cardiovascolari Il VAD (Ventricular Assist Device):

14 Modelli di Sistemi Cardiovascolari Il modello delle cannule

15 Indice Modelli di sistemi cardiovascolari Banchi di prova tradizionali Banco di prova ibrido Attuatori Controllati Risultati ottenuti Conclusioni e Sviluppi futuri

16 Banchi di Prova Tradizionali Realizzazione di resistenze, inertanze e compliance.

17 Banchi di Prova Tradizionali

18 Indice Modelli di sistemi cardiovascolari Banchi di prova tradizionali Banco di prova ibrido Attuatori Controllati Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri

19 Banco di Prova Ibrido

20 Banco di Prova Ibrido

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

22 Indice Modelli di sistemi cardiovascolari Banchi di prova tradizionali Banco di prova ibrido Attuatori Controllati Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri

23 Attuatori Controllati Pompa a flusso continuo roller Modulatore di portata

24 Attuatori Controllati S A R M rif R e M R A e M R R R R M R A A Q J C V J R k P R k R J ToSI J passo S C S passo C Tubo C R dt d dt d dt dp , 2

25 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.

26 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

27 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.

28 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 RH. Il primo è più semplice ma fornisce prestazioni in frequenza insufficienti, il secondo è più complesso ma fornisce un controllore con prestazioni globali migliori

29 Attuatori Controllati

30 Attuatori Controllati

31 Indice Modelli di sistemi cardiovascolari Banchi di prova tradizionali Banco di prova ibrido Attuatori Controllati Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri

32 Risultati Ottenuti

33 Risultati Ottenuti

34 Indice Modelli di sistemi cardiovascolari Banchi di prova tradizionali Banco di prova ibrido Attuatori Controllati Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri

35 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