Stato dell’arte

I primi banchi prova per valvole cardiache risalgono agli anni settanta del Novecento con l’intento di studiare il comportamento in vitro delle protesi valvolari e validare modelli matematici.

Il primo creato fu quello di Bellhouse dell’Università di Oxford che simulava il ventricolo sinistro e utilizzava contemporaneamente sia la valvola aortica sia la valvola mitrale, ma si focalizzava sullo studio di quest’ultima (Bellhouse, 1972). Volendo concentrarsi sul battente di pressione a cavallo della valvola atrioventricolare il banco prova non prevedeva la simulazione dell’impedenza sistemica, ma solo quella del ventricolo sinistro, composto

da una sacca collassabile compressa da un fluido di servizio messo in movimento da un pistone.

Uno sviluppo successivo è quello del banco prova di Cornhill, che fu il primo a ottenere gli stessi valori di pressione e portate transvalvolari di quelle in vivo (Cornhill, 1977). Gabbay, invece, nel 1979 creò un banco prova in grado di sottoporre a test valvole di dimensioni diverse e con diversi parametri di prova (Gabbay et al., 1978). L’innovazione di quello di Walker del 1984 fu, invece, il fatto di poter registrare i movimenti della valvola durante il suo funzionamento grazie all’utilizzo di materiali trasparenti (Walker et al., 1984).

È però solo con il banco prova di Fisher che nasce la possibilità di misurare le pressioni a cavallo della valvola sottoposta a test per poi rielaborarle al PC (Fisher et al., 1986). Il simulatore di Verdonck, del 1997, invece, permette una ulteriore tipologia di misurazione: l’utilizzo del Colour Doppler per analizzare il flusso all’uscita della valvola mitrale sottoposta a test (Verdonck et al., 1997).

Il banco prova sviluppato da Arita nel 2004 (Arita et al., 2004) è in grado di simulare contemporaneamente sia la fluidodinamica sia il movimento dell’anulus di una valvola mitrale in condizioni fisiologiche e patologiche. Lo scopo del banco prova è lo studio, l’analisi e il confronto dell’efficacia clinica di differenti tecniche chirurgiche di riparazione valvolare con l’intento di prevedere quale tecnica conduca ai migliori risultati.

Di seguito sono elencati i banchi prova più recenti per capire l’evoluzione che ha portato anche alla costruzione del banco prova utilizzato in questo progetto di tesi.

3.3.1 Banco prova di Lanzarone et al.

Il banco prova pulsatile sviluppato da Lanzarone nel 2009 (Lanzarone et al., 2009) vuole essere un banco prova sperimentale versatile attraverso il quale sia possibile effettuare test in regime pulsatile di dispositivi che vadano ad interfacciarsi al sistema cardiocircolatorio umano. La versatilità consiste nella regolazione di alcuni parametri relativi alla dinamica del fluido, ad esempio il valore medio e la forma d’onda delle curve di pressione e portata, lo stroke volume e la frequenza cardiaca. In particolare, è di primaria importanza la

capacità di mimare le caratteristiche tempo dipendenti delle forme d’onda generate dal ventricolo in condizioni fisiologiche e patologiche.

Il dispositivo vuole riprodurre il comportamento del ventricolo sinistro durante l’intero ciclo cardiaco: per la fase sistolica la forma d’onda di portata viene generata attraverso la curva di Swanson e Clark, mentre per la fase diastolica si utilizza una curva trapezoidale. Il sistema di pompaggio consiste in una pompa a pistone guidata da un motore collegato ad un controllore (Fig 3.1a). La camera ventricolare, gli alloggiamenti valvolari (Fig. 3.1b) e il simulatore della impedenza sistemica (Fig 3.1c) comunicano tra di loro e con la pompa attraverso condotti idraulici, che formano un anello chiuso. La configurazione del banco prova consente un facile assemblaggio e disassemblaggio per la pulizia e la manutenzione di quest’ultimo.

Per realizzare il simulatore dell’impedenza sistemica è stato utilizzato un modello a tre parametri, costituito da una resistenza caratteristica dell’arco aortico [RCH = 0.9

mmHg/(L/min)] posta in serie al parallelo di una resistenza periferica [RP = 16

Fig. 3.1: Foto del sistema attuatore che comprende motore, vite a ricircolo di sfere e cilindro idraulico (a);disegno della testa della pompa e degli alloggiamenti valvolari (b); immagine dell’impedenza

sistemica,costituita da due resistenze e una compliance (c).

3.3.2 Banco prova di Bazan - Ortiz

Il banco prova pulsatile di Bazan e Ortiz è stato realizzato dal dipartimento di Ingegneria Meccanica della Scuola Politecnica dell’Università di San Paolo (Brasile) nel 2011 (Bazan e Ortiz, 2011). Lo scopo del lavoro è stato la caratterizzazione idrodinamica, attraverso la valutazione dello shear stress e dell’emolisi, di protesi valvolari mitrali sottoposte a prove in regime pulsatile. Le misurazioni sono state effettuate attraverso una tecnica definita “anemometria laser”, basata sull’interazione della luce laser con le particelle di fluido. Il banco prova è in grado di riprodurre le caratteristiche elastiche delle arterie e delle resistenze periferiche. Il sistema di attuazione è di tipo idraulico: un servomotore elettrico controllato da un computer trasmette l’impulso al modello deformabile della camera ventricolare sinistra tramite un pistone idraulico. Vengono utilizzati due diversi fluidi separati da una membrana deformabile in silicone: il fluido di servizio, che trasmette l’impulso al ventricolo deformabile, e il fluido di prova, che simula le proprietà del sangue

3.3.3 Banco Prova Carro – De Gaetano

Il banco prova è stato realizzato dal Laboratorio di Meccanica delle Strutture Biologiche (LaBS) del Politecnico di Milano durante un progetto riguardante valvole biomorfe polimeriche, in collaborazione con l’Università di Cambridge (Carro e De Gaetano, 2012). Lo scopo del lavoro è stata la costruzione di un simulatore cardiovascolare in grado di riassumere la maggior parte dei vantaggi riscontrati dall’analisi dello stato dell’arte dei banchi prova, ad esempio la semplicità di utilizzo, la compattezza, la ripetibilità delle prove, la versatilità, ma focalizzando l’attenzione in particolar modo sulla visualizzazione e intercambiabilità delle valvole cardiache da sottoporre a test.

Il banco prova è costituito da un sistema di attuazione composto da una pompa a pistone, da un blocco ventricolare simulante il ventricolo sinistro, da un reservoir simulante l’atrio sinistro, dagli alloggiamenti delle valvole mitrale e aortica e da un analogo Resistenza- Compliance-Resistenza (RCR) che simula l’impedenza caratteristica del tratto aortico (Fig. 3.2).

L’obiettivo principale del simulatore cardiovascolare è la valutazione di diverse tipologie di protesi cardiache biomorfe polimeriche e, per tale motivo, è stata seguita la norma ISO 5840, affinché i test potessero essere riproducibili, ma è stata anche predisposta un’acquisizione fotografica frontale della valvola in esame (Fig. 3.2).

Fig. 3.2: Schematizzazione del setup sperimentale (Carro e De Gaetano, 2012).

Il movimento del sistema pompante è controllato tramite un software che ha permesso di fornire alla pompa stessa diverse forme d’onda di portata appositamente implementate.