Prove in flusso continuo

Normativa ISO 5840

La norma ISO 5840, per quanto riguarda le prove in flusso continuo, impone: 1. Accuratezza degli strumenti di misura

 Il sistema di misura delle pressioni (trasduttori di pressione) deve avere un’accuratezza minima di ± 2 mmHg (± 0,26 kPa);

 Il resto degli strumenti di misura deve garantire un’accuratezza del 5% rispetto al fondoscala. 

2. Requisiti minimi dell’apparato di prova

 Le valvole da sottoporre a questa tipologia di prova devono essere situate in tubi rettilinei con un diametro interno di 35 mm;

 L’apparato di prova deve essere in grado di generare livelli di portata di 30 l/min;

 Il flusso entrante nell’alloggiamento valvolare deve essere indisturbato, ovvero privo di deviazioni rispetto alla direzione principale;

 Il sensore di pressione posto a monte della valvola deve essere situato a una distanza di un diametro del tubo (35 mm) rispetto al piano su cui giace la protesi, mentre il sensore di valle deve essere posto ad una distanza di tre diametri;

 Le prese di pressione devono essere poste a filo della parete interna del tubo.

3. Protocollo di prova

La norma impone di sottoporre la valvola in un range di portata fra i 5 l/min e i 30 l/min con incrementi successivi di 5 l/min.

Set up sperimentale

Le prove in flusso continuo hanno l’obiettivo di misurare le perdite di carico ai capi della protesi valvolare cardiaca (ΔP) quando essa viene sottoposta ad una portata stazionaria (Q). In tale tipologia di prove il set up (Fig. 4.1 e 4.2) è piuttosto semplice e risulta composto di tre elementi principali: una pompa centrifuga, necessaria per generare una portata stazionaria, un alloggiamento valvolare, che permette di visualizzare la valvola e di acquisire immagini durante la prova e al quale sono collegati i trasduttori di pressione che consentono di misurare le perdite di carico, e una riserva a pelo libero, mantenuta ad una altezza costante per non variare il post-carico durante la prova.

Fig. 4.1: Schema del set up sperimentale. Sono rappresentati: la pompa centrifuga (P), la riserva (R), la valvola (V), la sonda flussimetro (F). Pmonte e Pvalle rappresentano i punti in cui vengono rilevate le pressioni,

mentre la portata viene rilevata dalla sonda del flussimetro (F).

Fig. 4.2: Foto del set up sperimentale per le prove in flusso continuo. Nell’immagine sono messi in evidenza gli strumenti utilizzati nel set up: pompa centrifuga (P); riserva (R); alloggiamento valvolare (AV);

flussimetro (F); sonda del flussimetro (SF).

Durante la prova sono state misurate le pressioni a monte e a valle della valvola e la portata.

La pompa centrifuga è a trascinamento magnetico (DelphinTM _{Sarns®, Terumo}

Cardiovascular Group, Michigan, USA) costituita da una girante a palette a trascinamento viscoso (Fig. 4.3). Durante il suo funzionamento le palette trascinano il liquido

convogliandolo verso il condotto di mandata. Come tutte le pompe centrifughe tale pompa è in grado di garantire la stazionarietà del flusso se non viene alterato il post-carico a valle di essa.

L’alloggiamento valvolare è formato da due elementi speculari di plexiglas uniti e stretti mediante un sistema di viti passanti e bulloni per impedire alla valvola di muoversi nella camera durante il funzionamento. Insieme alla valvola vengono posizionate delle guarnizioni di gomma che impediscono al liquido di trafilare a lato della valvola stessa (Fig. 4.4) e la valvola è serrata tra due anelli di metallo che le impediscono di modificare la geometria che possiede da scarica. I tubi utilizzati, nonostante la norma imponga un diametro interno di 35 mm, possiedono un diametro interno di 34 mm perché di più immediata reperibilità.

a) b)

Fig. 4.3: Pompa centrifuga a trascinamento magnetico (a) e particolare della girante a palette (b) (DelphinTM

Fig. 4.4: Alloggiamento valvolare formato da due elementi speculari di plexiglas e guarnizioni di gomma posizionate insieme alla valvola.

La portata è misurata tramite un flussimetro ad ultrasuoni (HT110, Transonic System Inc, New York, USA) posto a monte dell’alloggiamento a cui è collegata una sonda da 3

8”

(Fig. 4.5). Il flussimetro calcola la misura della portata in maniera indiretta, attraverso la misura del tempo di transito del fluido. Per tale motivo, all’interno del flussimetro si trovano due distinti sensori ad ultrasuoni: uno posizionato a monte del trasduttore con la funzione di trasmettitore e uno a valle con la funzione di ricevitore. Tramite la misura del tempo necessario affinché gli ultrasuoni percorrano la distanza dal trasmettitore al ricevitore è possibile ricavare la velocità del flusso e, conoscendo la sezione del tubo, è possibile risalire alla portata volumetrica. Per evitare disomogeneità nella propagazione degli ultrasuoni, si è soliti applicare del gel ecografico tra la sonda e il tubo.

Fig. 4.5: Sonda da 3

8” del flussimetro ad ultrasuoni (HT110 Trasonic System Inc, New York, USA).

La caduta di pressione, invece, è misurata per mezzo di due sensori di pressione (143PC – Honeywell Inc, New Jersey, USA) con fondo scala da ±15 psi (Fig. 4.6) posti, secondo norma, un diametro a monte (34 mm) e tre diametri a valle (102 mm) dal piano valvolare. La misura della pressione viene calcolata tramite il meccanismo di piezoelettricità: il trasduttore possiede due canali di misura, P1 e P2, uno che consente di misurare il valore di pressione di riferimento, l’altro, collegato al cristallo piezoelettrico, che effettua la misurazione. La presenza di una membrana fa sì che il canale di misura ed il cristallo si interfaccino tra di loro in quanto la sollecitazione meccanica di tale membrana permette la generazione di un potenziale e allo stesso tempo protegge il cristallo impedendone il danneggiamento. Si possono ottenere segnali nell’ordine dei nanoVolt (nV) che vengono amplificati prima di essere acquisiti.

Fig. 4.6: Sensori di pressione (143PC – Honeywell Inc, New Jersey, USA) con fondo scala da ±15 psi.

Sia i sensori di pressione sia il flussimetro, che rispettano entrambi i requisiti imposti dalla norma, sono collegati ad una scheda di acquisizione (DaqPad-6020E, National Instruments, Texas, USA; frequenza di acquisizione utilizzata = 200 Hz) gestita tramite un’interfaccia LabView (National Instruments, Texas, USA).

Protocollo di prova

Nelle prove in flusso continuo le valvole dei gruppi B e C sono state sottoposte a un range di portate compreso tra 0 e 10 l/min, con incrementi di portata di 0,5 l/min per ogni livello di misura. La normativa ISO 5840 richiede di effettuare misure in un range di portata fra i 5 e i 30 l/min con incrementi di 5 l/min, ma si è ritenuto sufficiente un limite massimo della portata di 10 l/min per le motivazioni che verranno discusse in seguito (§6.1). Poiché si è voluta ottenere una caratterizzazione delle valvole più dettagliata per basse portate, ovvero le portate di maggiore interesse, si è deciso di ridurre anche l’incremento di portata per ciascun livello di misura, passando dai 5 l/min stabiliti secondo norma a 0,5 l/min.

Su ciascun prototipo di valvola sottoposto a prova sono state eseguite due misure per ogni portata in momenti differenti, in modo da verificarne la ripetibilità. In particolare, la modalità delle suddette prove è stata organizzata secondo la seguente procedura:

 Portate crescenti da 0 a 10 l/min;  Portate decrescenti da 10 a 0 l/min.

Il protocollo di prova riprende quello stabilito in due lavori di tesi precedenti (Carro e De Gaetano, 2012) (Cavallo e Ielapi, 2013) rendendo, così, possibile un confronto tra i prototipi caratterizzati nei precedenti lavori e quelli analizzati in questo lavoro di tesi. Dopo l’acquisizione dei dati si è proceduto con la loro analisi, ottenendo i risultati descrittivi e comparativi riportati nei successivi capitoli.