Una volta realizzate, tutte le casse d’aria sono state caratterizzate in modo da verificare che la compliance ottenuta sperimentalmente corrispondesse con quella teorica.
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Figura 5.37 Set up sperimentale. 1. Cassa d'aria da testare; 2. Trasduttore di pressione; 3. Siringa; 4. Pompetta.
Il protocollo di prova utilizzato è descritto nei punti seguenti.
1. Inserimento del volume di liquido. Mantenendo aperti i rubinetti Luer presenti sul coperchio della cassa, viene inserito all’interno il volume di acqua necessario per ottenere un volume d’aria pari a V0.
2. Calibrazione del trasduttore di pressione. Un trasduttore di pressione viene calibrato tramite l’utilizzo di un manometro a mercurio e avvitato su uno dei rubinetti Luer. Il valore di pressione rilevato deve essere pari a quello della pressione atmosferica (p0).
3. Chiusura del rubinetto che permette la comunicazione tra l’aria presente all’interno della cassa e quella esterna.
4. Inserimento di un volume prestabilito di liquido. Attraverso l’uso di una siringa si inserisce all’interno della cassa, senza far uscire aria, un volume prestabilito di liquido (solitamente 5 ml).
5. Rilevamento del valore di pressione interno alla cassa.
I punti 4 e 5 del protocollo di prova sono stati ripetuti dieci volte fino al raggiungimento del volume di esercizio desiderato e, una volta finita la parte sperimentale, ad essa è seguita la rielaborazione dei dati ottenuti.
È bene notare che tutto il protocollo di prova è stato eseguito almeno due volte per accertarsi che i valori di pressione rilevati fossero affidabili.
Durante la rielaborazione dei dati si è calcolata la pressione di esercizio del gas con l’equazione propria della trasformazione isoterma (28).
127 Successivamente è stata calcolata la pressione ottenuta dopo la trasformazione adiabatica. Per questo calcolo viene utilizzata nell’equazione 29 ponendo come Pe lo stesso valore usato
per il dimensionamento della cassa.
A questo punto è stato possibile riportare graficamente su di un grafico P-V l’andamento delle curve rappresentanti rispettivamente le due trasformazioni. Esse si incrociano nel punto di lavoro che ha come coordinate la pressione e il volume di esercizio. Interpolando linearmente la curva corrispondente alla trasformazione adiabiatica, nell’intorno di questo punto, è stato possibile trovare il coefficiente della retta che rappresenta il valore di compliance offerto dalla cassa.
È bene notare come questo valore non possa essere trovato interpolando la curva associata alla trasformazione isoterma in quanto una trasformazione di questo tipo avviene in condizioni stazionarie.
In Figura 5.38, Figura 5.39, Figura 5.40 e Figura 5.41 vengono riportati, a titolo esemplificativo, i grafici relativi alla caratterizzazione delle compliance della BSA di 0.56 m2.
Osservando il coefficiente angolare delle rette interpolanti si può notare come i valori di compliance ottenuti dalla caratterizzazione delle casse siano paragonabili a quelli riportati in Tabella 5.8.
Figura 5.38 Grafico pressione volume ottenuto dalla caratterizzazione della cassa d'aria adibita a simulare la compliance aortica per la BSA di 0.56 m2.
y = 0,2218x - 161,59 R² = 0,999 0 10 20 30 40 50 60 70 80 700 800 900 1000 1100 1200 V o lu m e [ m l] Pression [mmHg]
Compliance aortica - BSA 0.56
isoterma
adiabatica
adiabatica valori di interesse
Interpolazione lineare nei valori di interesse
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Figura 5.39 Grafico pressione volume ottenuto dalla caratterizzazione della cassa d'aria adibita a simulare la compliance polmonare per la BSA di 0.56 m2.
Figura 5.40 Grafico pressione volume ottenuto dalla caratterizzazione della cassa d'aria adibita a simulare la compliance dei distretti inferiori per la BSA di 0.56 m2.
y = 0,4534x - 343,39 R² = 0,9999 0 5 10 15 20 25 30 35 40 740 760 780 800 820 840 860 V o lu m e [ m l] Pressione [mmHg]
Compliance distretti polmonari - BSA 0.56
isoterma
adiabatica
adiabatica valori di interesse
Interpolazione lineare nei distretti di interesse
y = 3,5719x - 2706,5 R² = 1 0 20 40 60 80 100 120 750 760 770 780 790 V o lu m e a cq u a [ m l] pressione [mmHg]
Compliance distretti inferiori - BSA 0.56
isoterma
adiabatica
adiabatica valori di interesse
Interpolazione lineare nei valori di interesse
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Figura 5.41 Grafico pressione volume ottenuto dalla caratterizzazione della cassa d'aria adibita a simulare la compliance dei distretti superiori per la BSA di 0.56 m2.
y = 1,5547x - 1175,5 R² = 0,9999 0 20 40 60 80 100 120 140 160 750 800 850 900 V o lu m e [ m l] Pressione [mmHg]
Compliance distretti superiori - BSA 0.56
isoterma
adiabaica
adiabatica valori di interesse
Interpolazione lineare nei valori di interesse
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Inertanza
Per la corretta simulazione dei distretti corporei è necessario introdurre nel banco prova, oltre a resistenze e compliance, anche le inerzie del fluido. Per riprodurre queste ultime non vengono progettati elementi appositi ma viene scelta la dimensione dei tubi di collegamento del circuito.
Essi infatti, in base alla loro lunghezza permettono di simulare l’inerzia specifica che il fluido accumula nel muoversi attraverso i vasi sanguigni.
Il valore di inertanza può essere calcolato attraverso la formula seguente:
= ? 32.
Dove:
• L è l’inertanza [kg/m4];
• ρ è la densità del fluido [kg/m3];
• l è la lunghezza del condotto [m];
• A è la sezione trasversale del condotto [m2].
La lunghezza dei tubi è stata calcolata invertendo la formula poiché il valore di inertanza dei vari distretti viene ricavato dal modello a parametri concentrati (Capitolo 4). Questo dimensionamento tuttavia non è stato seguito nella costruzione del circuito. La lunghezza dei tubi infatti sarebbe risultata troppo corta per collegare gli elementi del banco prova. Si è quindi deciso di utilizzare tubi da ½” di lunghezza variabile a seconda dei componenti da collegare, evitando eccessivo ingombro, ma permettendo al flusso di liquido di svilupparsi correttamente tra un elemento e l’altro.
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Sistema di attuazione
In questo lavoro di tesi, per simulare la funzione del ventricolo unico, si è scelto di utilizzare i VAD ad azionamento pneumatico. In laboratorio erano presenti due dispositivi di assistenza ventricolare, una da 10 ml e l’altro da 25 ml (Berlin Heart, EXCOR). Non disponendo di nessuna delle stazioni apposite per il loro funzionamento, è stato creato un circuito pneumatico comandato da scheda Arduino, progettato e assemblato ad hoc.
Circuito pneumatico
Il circuito pneumatico utilizzato è composto da sette elementi necessari a controllare la pressione fornita dalla linea dell'aria compressa. A partire dal compressore, il flusso d'aria procede verso il circuito. Il primo elemento di controllo è un filtro regolatore (AW20- F01BG-A, SMC Corporation, Tokyo) necessario per rimuovere le particelle solide in sospensione, come le polveri, al fine di preservare l'integrità e il corretto funzionamento della membrana elastica del VAD. In seguito, la linea si divide in due rami, uno usato per il controllo del singolo ventricolo e l’altro, usato nel caso si voglia esaminare il contributo dato da un dispositivo di assistenza ventricolare All’inizio di ciascun ramo vi è una valvola ad azionamento meccanico (EVM430-F01-34R, SMC Corporation, Tokyo) necessaria per interrompere il flusso verso uno di essi.
I due rami sono composti dagli stessi elementi; per questo motivo di seguito ne viene descritto uno. Proseguendo dalla valvola verso il VAD, il percorso dell’aria viene diramato in due ulteriori linee: una per il controllo della sistole e una per il controllo della diastole. Nella linea di sistole, vi è un regolatore (AR25-F02BM-1-A, SMC Corporation, Tokyo) in grado di controllare la pressione in uscita verso il VAD. Nella linea di diastole, oltre ad esserci un regolatore identico a quello presente nella linea di sistole, è presente una valvola a 2 vie (VDW20QA, SMC Corporation, Tokyo) e un eiettore di vuoto (ZH05BS-01-01, SMC Corporation, Tokyo) in grado di generare pressioni negative.
Le due linee si uniscono in una valvola a 3 vie (VDW350-5G-4-01F-Q, SMC Corporation, Tokyo) necessaria per controllare l’apertura alternata di una di esse. La valvola a 3 vie, che presenta lo schema mostrato in Figura 5.42, è stata montata in modo da collegare l’ingresso IN con la linea di uscita (linea che collega il circuito al VAD), l’ingresso 2 con la linea di sistole e l’ingresso 3 con la linea di diastole.
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Figura 5.42 Schema di funzionamento dell'elettrovalvola a 3 vie.
Il circuito, dunque, avendo la linea di diastole bloccata dalla valvola a 2 vie, che è normalmente chiusa, e la linea di sistole bloccata dalla valvola a 3 vie, anch’essa normalmente chiusa per via della scelta del suo posizionamento, si presenta chiuso fintanto che le valvole non ricevono un segnale dal sistema di controllo.
Viene inoltre inserito un trasduttore di pressione di seguito alla valvola a 3 vie per controllare l’onda pressoria generata. In Figura 5.43 viene mostrato l’intero sistema di attuazione.
Figura 5.43 Rappresentazione della linea pneumatica per il controllo del VAD. (1) Linea dell’aria compressa. (2) Filtro regolatore. (3) Valvola ad azionamento meccanico. (4) Regolatore di pressione. (5) Elettrovalvola a 2 vie. (6) Eiettore di
vuoto. (7) Elettrovalvola a 3 vie. (8) Sistema di controllo. (9) VAD.