Simulazione sperimentale di un flusso aortico in presenza di anastomosi nel caso di inserimento di LVAD.

Abstract

In questo studio è stato simulato sperimentalmente il flusso aortico nel caso di impianto di un dispositivo di assistenza ventricolare nella parte sinistra del cuore (LVAD). Nella prima fase del lavoro di tesi si è lavorato alla costruzione dei modelli di aorta in gomma siliconica. Si è partiti da immagini radiologiche fornite dall’ospedale Brotzu di Cagliari, analizzando le quali, sono stati creati gli stampi di aorta tramite stampa 3D. La gomma siliconica è stata quindi applicata agli stampi e i modelli di aorta sono infine stati sfilati dallo stampo e anastomizzati a circa 1 cm di distanza dall’arco aortico. Nella seconda fase del lavoro di tesi, sono state effettuate misure di velocità nell’arco aortico. È stato a tal fine utilizzato un duplicatore d’impulso, uno strumento che consente di riprodurre flussi e pressioni generati dal cuore sinistro. Il duplicatore consiste in un circuito idraulico chiuso che contiene una camera di visualizzazione, nella quale viene disposta l’aorta. Nell’aorta sono state effettuate misure utilizzando la tecnica Particle Image Velocimetry (PIV). La PIV è una tecnica puramente ottica che consente di misurare a diversi istanti campi di moto su piani. Il fluido viene inseminato con particelle di piccole dimensioni e il flusso è illuminato sul piano di interesse con un fascio laser. Utilizzando tecniche di analisi di immagine si riesce a ricostruire il campo di moto nel piano illuminato a diversi istanti temporali. Sono stati effettuati esperimenti nel caso di flussi fisiologici, nei casi di tachicardia e bradicardia e, in ultimo, anche nel caso di paziente in arresto cardiaco, in cui il flusso è interamente dovuto al funzionamento del LVAD. Dai risultati ottenuti abbiamo calcolato la velocità media, la vorticità e lo shear rate; nel caso di aorta sana, siamo riusciti a dimostrare l'efficienza del LVAD.

In this study, the aortic flow was experimentally simulated in the case of the implantation of a left ventricular assist device (LVAD) in the left side of the heart. In the first phase of the thesis work, silicone rubber models of the aorta were constructed. For this purpose, radiological images provided by Brotzu Hospital in Cagliari were analyzed, based on which 3D-printed molds of the aorta were created. Silicone rubber was then applied to the molds, and the aorta models were finally removed from the molds and anastomosed approximately 1 cm away from the aortic arch.

In the second phase of the thesis work, velocity measurements were carried out in the aortic arch. A pulse duplicator was used for this purpose, a device that replicates the flows and pressures generated by the left heart. The duplicator consists of a closed hydraulic circuit containing a visualization chamber, where the aorta is positioned. Measurements were conducted in the aorta using the Particle Image Velocimetry (PIV) technique. PIV is a purely optical method that allows motion fields on planes to be measured at various time instants. The fluid is seeded with small particles, and the flow is illuminated in the plane of interest using a laser beam. By applying image analysis techniques, it is possible to reconstruct the motion field in the illuminated plane at different time intervals. Experiments were conducted under physiological flow conditions, as well as in cases of tachycardia, bradycardia, and, finally, in the case of a patient in cardiac arrest, where the flow is entirely due to the operation of the LVAD. From the results obtained, we calculated the average velocity, vorticity, and shear rate. In the case of a healthy aorta, we were able to demonstrate the efficiency of the LVAD.