AL.MEC è nata nel 2001 come società meccatronica, negli anni ha acquisito competenze specifiche e tecnologia che ha trasferito in altri settori.

Transcript

1

2 Progettazione elettronica Electronic planning Sviluppo software Software development Modellazione 3D 3D modelling Prototipazione rapida Rapid prototyping AL.MEC è nata nel 2001 come società meccatronica, negli anni ha acquisito competenze specifiche e tecnologia che ha trasferito in altri settori.

3 AL.MEC Mechatronics progetta elettronica, sviluppa software, effettua modellazione 3D e prototipazione rapida. Nasce come fornitore di elettronica in ambito automotive, veicoli speciali, attrezzature e allestimenti per il settore agricolo e macchine movimento terra. La filosofia dell innovazione, linea guida dell azienda, ha portato al trasferimento della tecnologia e delle competenze acquisite nel settore meccatronico all ambito medicale. La divisione biomedicale produce software di simulazione della meccanica dell interazione cardiorespiratoria con scopo didattico. Il software è basato su un modello matematico, oggetto di divulgazione, in cui il sistema cardiocircolatorio interagisce con quello respiratorio determinando così gli spostamenti della cute, ed è in grado di ricreare virtualmente casi di emergenza e patologie non comuni, in modo tale che l operatore possa esercitarsi ad affrontare le diverse problematiche presenti durante queste situazioni.

4 Ricerca Il sistema cardiocircolatorio è il motore di tutto il corpo umano. Esso pompa il sangue attraverso le camere cardiache per il tramite di valvole unidirezionali ed irrora gli organi avvalendosi di un complesso sistema di vasi. Come tale, il sistema cardiocircolatorio si presta ad uno scambio osmotico con le metodologie ingegneristiche. Il suo funzionamento può essere normale (fisiologia) oppure soggetto ad alterazioni e malfunzionamenti (fisiopatologia) che obbligano il medico e l ingegnere ad attivare un canale di comunicazione/confronto costante onde ricercare/trasferire/approntare insieme debite tecniche chirurgiche di riparazione. L attività di ricerca è mirata a: Lo sviluppo di modelli spiccatamente computazionali di simulazione e predizione degli effetti sulle vibrazioni cutanee dell'interazione cardiovascolare-respiratoria; Il progetto, la realizzazione ed il collaudo di catene di misura in-vivo elettro-ottiche integrate per le vibrazioni cutanee.

5

6 Cos è Il Software Simul CRISD (Simulation Cardio-Respiratory Interaction & Skin Displacement) Multiphysics è un software educational realizzato per facilitare e perfezionare l apprendimento in diversi settori formativi come operatori sanitari o tecnici specializzati in materiali e biotecnologie, ma anche in tutti i percorsi di studi che comprendono la biologia umana e/o fisica di base come meccanica ed elettromagnetismo. Questo software simula diversi fenomeni biomeccanici simultaneamente basandosi su modelli fisico-matematici, oggetto di divulgazione, in cui il sistema cardiocircolatorio interagisce con quello respiratorio e con gli spostamenti della cute. Il software è in grado di ricreare virtualmente sia casi di normale fisiologia sia casi di emergenza e patologie non comuni, in modo tale che l utente possa comprendere appieno i meccanismi del sistema in esame esercitandosi ad affrontare le diverse problematiche presenti durante queste situazioni. Infatti i modelli fisiologici possono essere costruiti in modo tale da descrivere le interazioni tra i vari sistemi e simulare in modo efficace una gran varietà di disfunzioni, adattandosi ai diversi pazienti ed assistendo il personale clinico nella scelta della terapia. A che cosa serve La diagnosi delle malattie del sistema cardio-respiratorio richiede l interpretazione da parte dello staff sanitario dei dati clinici rilevati per ogni paziente. Spesso però risulta difficile nella realtà individuare le disfunzioni, perché possono essere non comuni o perché il tempo di intervento deve essere rapido per poter scegliere velocemente una terapia adatta. Una formazione del personale sanitario che preveda la simulazione di tutte queste condizioni critiche tramite questo software può aumentare la preparazione nell affrontarle. Oltre agli aspetti medici, questo software mette alla prova le conoscenze tecniche apprese in diverse discipline ed è un esempio concreto di come queste vengano applicate anche in settori apparentemente distanti, come può essere la matematica, l elaborazione di segnali o l elettrotecnica.

7 Come è fatto L utente visualizza su un display l andamento del treno d onde sfigmiche della pressione endovascolare nel tempo ed il relativo spettro in frequenza, oltre a tutti i parametri che caratterizzano il sistema cardio-respiratorio. Modificando i valori dalla condizione standard, l utente può esercitarsi a simulare l effetto della variazione di alcuni parametri del sistema cardio-respiratorio sulle grandezze fisiologiche di output del modello (come la pressione endovascolare, la portata volumetrica, lo spostamento della cute, ecc.) e studiare ed analizzare il rapporto causa/effetto e le diverse casistiche, valutando ed apprendendo le tecniche di intervento necessarie. Vantaggi L impiego della simulazione tramite il software presenta numerosi vantaggi perché consente di: Studiare numerose tipologie di disfunzioni e malattie che riguardano l apparato cardio-circolatorio; Valutare le relazioni tra i diversi parametri che caratterizzano il sistema in esame, spesso complesse; Approfondire le conoscenze delle linee guida del trattamento delle principali emergenze medico-chirurgiche; Creare virtualmente situazioni critiche, non comuni, in cui è fondamentale la tempestività d intervento; Discutere i diversi casi e gli errori commessi durante la terapia.

8 Argomenti teorici Blocchi funzionali Definizione di battito cardiaco e apparato cardio-circolatorio Il cuore I vasi sanguinei Pressione endovascolare Gittata cardiaca e flusso sanguineo Fisiologia e patologia Definizione di atto respiratorio e apparato respiratorio Polmoni Fisiologia e patologia Frequenza e ritmo Cardiaco: numero di battiti in un minuto Respiratorio: numero di atti respiratori in un minuto Interazione sistema cardio-respiratorio Circuiti elettrici Meccanica dei fluidi Modellazione dei materiali biologici Effetti della frequenza cardiaca sulle pressioni ventricolari; Effetti della frequenza respiratoria sui volume toracico, alveolare, ventricolare sinistro e sulla pressione al gomito dell arteria brachiale e la pressione generata dai muscoli respiratori; Effetti della resistenza della parte inferiore del corpo sulla portata volumetrica nella rete vascolare della parte inferiore del corpo e sulla pressione nell aorta; Effetti della elastanza dell aorta sulla pressione dell aorta e dei ventricoli. Gli effetti della variazione di questi parametri di input non riguardano solo i parametri di output citati, ma possono essere estesi a tutte le quantità calcolate dal software nei diversi punti del sistema modellato, come volume o pressione della vena cava o portata nell arteria polmonare. Inoltre è sempre possibile visualizzare le conseguenze della variazione del parametro sullo spostamento sia della parete interna che all esterno dell arteria brachiale. NOTA: Per parametri come resistenza ed elastanza è possibile scegliere punti diversi da quelli specificati nei blocchi funzionali. Sarà inoltre possibile aggiungere come parametri di input del software le induttanze e le capacità dello schema elettrico che modella la rete vascolare degli arti superiori e della testa.

9

10 Il modello circolatorio Il cuore è un muscolo diviso in 4 scomparti atri e ventricoli che contraendosi (sistole) e dilatando (diastole) funge da pompa idraulica spingendo così il sangue, fluido ricco di sostanze nutritive ed elementi di scarto dei processi catabolici, in tutti i punti periferici del sistema circolatorio costituito dai vasi sanguinei (distinti in arterie, vene e capillari) che sono i condotti in cui circola il sangue. La pressione sanguinea è la forza esercitata dal sangue sulla superficie interna del vaso, solitamente espressa in millimetri di mercurio (mmhg). Essa varia tra il valore massimo detto sistole Ps e minimo detto diastole Pd. Come mostrato nelle figure nella pagina precedente, grazie alla modellazione a parametri concentrati della rete vascolare il software è in grado di calcolare la pressione istantanea in diversi punti del sistema circolatorio: Ventricolo sinistro e destro (figura al centro); Aorta (figura in basso a destra); Vena cava (figura in basso a sinistra); Arteria polmonare (figura in alto a sinistra); Vena polmonare (figura in alto a destra). Le pressioni nei ventricoli di fine sistole (es) e fine diastole (ed) sono ottenute come segue P es E es (V V d ) P ed P [ e 0 ( V V0 ) 1] dove il parametro elastanza E, mentre Vd e V0 sono i volumi a pressione nulla (non sottoposti a sforzi) rispettivamente per la fase sistolico e diastolica.

11 Il modello circolatorio La pressione ventricolare è data da due contributi, pressione transmurale della parete libera del ventricolo Pvf e pressione del pericardio Pperi, il quale è a sua volta formato da due contributi la pressione transmurale della membrana pericardica Ppcd e la pressione pleurica Ppl, quest ultima determinata dalla respirazione. Indicando con e(t) la funzione di attivazione cardiaca che varia tra 0 e 1, allora Pvf e Ppcd hanno la forma seguente P e( t) P (1 e( t)) es P ed P ( P Pd Osserviamo che la pressione media può essere calcolata come m d s e siccome il cuore compie un lavoro questo è dato come prodotto tra la pressione media e la variazione di volume nel ventricolo sinistro detta volume sistolico o gittata sistolica definita come la differenza tra il volume di fine diastole e il volume di fine sistole. Per quanto riguarda invece il calcolo della pressione nei vasi sanguinei periferici direttamente collegati alle camere cardiache, con l obbiettivo di minimizzare la complessità della modellazione viene presa in considerazione solo la componente lineare della pressione, ovvero Pes, perciò la pressione nell aorta è definita come P )/3 P ao E es, ao( Vao Vd, ao )

12 Il modello circolatorio La modellistica a parametri concentrati si fonda sul concetto che moltissimi sistemi biologici, anche quelli più complessi, possono essere descritti come iterazioni tra componenti elementari. Tali componenti si identificano come un unico: non si distinguono quindi al suo interno regioni o comportamenti distinti. Il modello del software si basa su un analogia tra il modello fisico e camere elastiche per le parti principali del sistema cardiocircolatorio caratterizzate dal legame pressione-volume sopradescritto, mentre la rete vascolare viene modellata come un circuito elettrico in cui la pressione P viene sostituita da una tensione mentre la portata volumetrica Q viene interpretata come una corrente. Interpretando la resistenza R come la resistenza che la viscosità del sangue oppone al flusso, l inerzia del sangue come una induttanza L (ovvero proprietà del vaso sanguineo di ostacolare variazioni nel tempo della portata volumetrica) e infine la deformabilità della parete o compliance come un elemento capacitivo C, le equazioni costitutive dell analogo elettrico sono Q Mentre per collegare le camere elastiche rappresentate in figura come bolle - usiamo semplicemente una resistenza, nel caso di un ramo dello schema elettrico del tratto della parte superiore del corpo si ha dp C Q in, i Q, dt i P R P S La variazione di volume del vaso nel tempo è sempre vista come un bilancio di massa tra flusso entrante e flusso uscente una volta risolta questa equazione siamo in grado di determinare la pressione tramite le formule viste in precedenza. dq dt outi dp Q C dt e P QR S dq dt dv dt Q in Q out. Perciò

13 Il modello respiratorio L atto respiratorio è composto di due fasi: l inspirazione e l espirazione. Come è possibile notare dai risultati delle pressioni ventricolari mostrati in precedenza, il susseguirsi di atti respiratori influenza la pressione arteriosa sistolica modulandola in ampiezza ciclicamente: infatti, le pressioni Pmus generate dai muscoli respiratori che elevano e abbassano le costole e lo sterno e quella toracica interferiscono con l efflusso di sangue dal ventricolo sinistro detto volume sistolico o gittata sistolica. L interazione tra il modello respiratorio e il modello cardiaco avviene tramite l espressione della pressione pleurica che interviene nella definizione della pressione del pericardio: Ppl Pmus Ecw( Vth Vd,th) La pressione Pmus è definitiva tramite una funzione che rappresenta l attivazione dell atto respiratorio nella sua fase inspiratoria e espiratoria, mentre la pressione toracica è definita in modo simile alla pressione dei vasi periferici per cui Ecw rappresenta l elastanza della gabbia toracica e Vd,th è il volume a pressione nulla e Vth è il volume dato dalla somma del volume della vena e arteria polmonare, dei volumi ventricolari ed infine del volume degli alveoli, la cui espressione dipende da una equazione differenziale diversa da quella in forma generale presentata dv dt alv P pl E R aw alv V alv

14 Effetti della frequenza cardiaca La frequenza cardiaca è espressa in numero di battiti al minuto (bpm), ricordandosi poi che 1 minuto equivale a 60 secondi passiamo dai bpm agli Hz. In regime fisiologico questo valore oscilla tra i 60 e i 100 bpm, ovvero tra 1 e Hz, al di sotto dei 60 bpm si parla di brachicardia e al di sopra dei 100 bpm di tachicardia. Essa è regolata dal sistema nervoso simpatico e da fattori ormonali La figura qui a lato mostra lo spettro in frequenza della pressione nell aorta, nella quale è possibile notare la frequenza fondamentale del battito cardiaco a 1Hz e le sue frequenze armoniche superiori, ovvero multiple della frequenza fondamentale. Un aumento della frequenza cardiaca può essere dovuto alla necessità di pompare più sangue nel sistema periferico che, in un soggetto sano, farà aumentare la pressione arteriosa. Viceversa una diminuzione della frequenza corrisponderà ad una diminuzione della pressione, come illustrato nelle immagini sottostanti per fc=60 e 40 bpm

15 Effetti dell elastanza L elastanza E è un indice di contrattilità, ovvero rappresenta la capacità della struttura di tornare alla conformazione originale una volta rimossa la pressione deformante perciò e definito come il rapporto di variazione di pressione sulla variazione di volume. Dalla espressione lineare della pressione vediamo bene che una diminuzione della elastanza comporta un una diminuzione di pressione, non solo per la camera elastica coinvolta ma anche per le camere elastiche adiacenti. Si prenda infatti in considerazione i risultati per la aorta a sinistra con i parametri di default e a destra con valore dell elastanza dimezzato. Si nota facilmente come la pressione sia diminuita, ma non dimezzata come si potrebbe essere indotti a pensare questo perche la pressione e il volume sono dipendenti dal tempo, mentre l elastanza viene presa costante nel modello.

16 Effetti della resistenza La portata volumetrica tra due camere elastiche a pressioni differenti è data da Q1=(P1-P2)/R1, per cui se aumentiamo la resistenza ci attendiamo che il flusso in esso sia ridotto, questo a sua volta comporta un rialzo della pressione nel caso il flusso in ingresso sia maggiore di quello in uscita. Aumentiamo allora per esempio la resistenza Rsys corrispondente alla parte inferiore del corpo allora il flusso di sangue in tale tratto sarà ridotto, mentre la pressione nell aorta aumenterà per effetto dell accumulo di sangue nell arteria rappresentato dall aumento di volume.

17 Effetti della frequenza respiratoria La frequenza respiratoria è calcolata come numero di atti respiratori in un minuto, che normalmente a riposo normale va dai 12 ai 20 atti al minuto. Un aumento della frequenza respiratoria comporta una diminuzione della modulazione pressoria in ampiezza, mentre diminuendo la frequenza la modulazione è più consistente.

18 Vibrazione tissutale dei vasi e della cute L onda sfigmica si propaga lungo tutta la diramazione vascolare come si può notare sia dai diagrammi di pressione riguardanti i tratti principale del sistema vascolare sia come si evince dal diagramma di pressione per l arteria brachiale al livello del gomito. La pressione simulata dal software è la pressione arteriosa che il sangue esercita sulle pareti del vaso. Il movimento della parete sotto l azione della pressione in fase sistolica è tale da trasmettersi ai tessuti circostanti. La modellazione della meccanica dei tessuti si basa su un bilancio di forze, ma soprattutto su le equazioni costitutive in grado di descrivere le caratteristiche del materiale. La caratterizzazione dei materiali attraverso delle formule è un campo di ricerca molto attivo. Vale la pena allora comprendere come l onda sfigmica originatasi nel ventricolo sinistro possa influenzare il comportamento dei tessuti che costruiscono i condotti in cui si propaga. Lo spostamento della cute è massimo quando la pressione è massima poi crolla sotto l effetto del rilassamento per poi aumentare sotto l effetto di una successiva onda. Il comportamento è ciclico come l attività cardiaca ed è modulata sotto l effetto dell interazione cardio-respiratoria.

19 R&D L azienda è un affermata ditta produttrice di soluzioni e innovazioni tecnologiche che investe nella ricerca, nell'aggiornamento del proprio personale e in attrezzature sempre più evolute. Le garanzie di affidabilità e innovazione si trovano nella caratterizzazione dei prodotti, realizzati seguendo le regole principali necessarie per un prodotto industriale conforme agli standard di riferimento internazionali. Noi lavoriamo con:

20 Questa brochure elenca, in maniera commerciale e non tecnica le principali caratteristiche dei prodotti. Si consiglia di contattare il costruttore per ulteriori dettagli. AL.MEC S.R.L. Via Torino, Dogliani ( CN ) Tel : / Fax : info@almec.net P.IVA : Capitale Sociale: