CorsodiLaureaSpe ialisti ainBioingegneria
tesi dilaurea
Analisi sperimentale della risposta
uidodinami a di valvole ardia he
me ani he in posizione aorti a
Relatore: Prof.ssa Fran es aMaria Susin
Correlatori: Prof. Giorgio Querzoli
Ing. Stefania Fortini
Controrelatore: Prof. AndreaBagno
Laureando: Ri ardo Toninato
AnnoA ademi o2011-2012
Questolavoroetuttoquello henederiveràsonodedi atiaimieigenitori,per hè
mihannodatoil oraggiodiosare,laforzapersuperaregliosta olielafermezza
nelle idee, heho sempreammirato inloro.
L'autore.
Prefazione III
1 Introduzione 1
2 La protesi valvolare me ani a: ruolo e aratteristi he 5
2.1 Breve introduzione alla siologia ardiovas olare. . . . . . . . . . 5
2.2 Lavalvolaaorti a nativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Le prin ipalipatologie delle valvole ardia he . . . . . . . 10
2.2.2 Fluidodinami a della stenosivalvolare . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 Fluidodinami a dell'insu ienza valvolare . . . . . . . . . 13
2.2.4 Le metodologie hirurgi he disostituzionevalvolare . . . . 16
2.3 Laprotesi valvolare me ani a inposizioneaorti a . . . . . . . . 17
2.3.1 Il futurodella protesi a valvolare . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Funzionalità emodinami a diprotesivalvolari . . . . . . . . . . . 24
2.4.1 L'importanza dell'appro ioglobale. . . . . . . . . . . . . 25
2.4.2 L'importanza dell'indagine lo ale . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 L'appro io lini o nella stimadella patologia . . . . . . . . . . . 28
2.5.1 Iparametri lini i a onfronto . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.2 Le arenze oggettive e leintegrazioni possibili . . . . . . . 30
3 Le normative: l'importanza ed il ruolo nella ommer ializzazione 31 3.1 Ladiversi azione alivello geogra o e di ontenuti. . . . . . . . 32
3.2 Lanormativa Europea UNI EN ISO5840 . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Le linee guidaACC-AHAed FDA . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4 Idispositivipulse dupli ator ommer iali . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.1 S he eld pulsedupli ator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.2 Yoganathanpulse dupli ator . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.3 ViVitro pulsedupli ator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.4 Dynate pulse dupli ator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.5 BDC-Labspulse dupli ator . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4 L'apparato sperimentale: des rizione e funzionamento 55
4.1 Introduzione alPulseDupli ator DICEA . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Il dispositivoneldettaglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.1 Le parti hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.2 Gli strumentisoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5 La on gurazione dell'apparato sperimentale 95 5.1 Linee guidanello svolgimento delle prove . . . . . . . . . . . . . . 96
5.1.1 Preparazione delpulse dupli ator nelle singoleprove . . . 97
5.2 Condizioni dilavoroinsimilitudine . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3 Esposizione delle prove edei risultati . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6 Le prove ed i risultati onseguiti 107 6.1 La dinami a valvolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.1.1 Analisi gra aqualitativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.1.2 Il risultatoe leosservazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2 I parametri globalidel usso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.2.1 Le prove eettuate: la ro e sperimentale . . . . . . . . . 124
6.2.2 Le prove in ondizioni parti olari . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2.3 I risultatied i ommenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.3 Il ampo dimoto lo ale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.3.1 Le prove eettuate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.3.2 I risultatied i ommenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7 Con lusioni, revisioni e sviluppi futuri 177
A Software: listati dei programmi MatLab realizzati 181
Bibliogra a 202
Elen o delle gure 205
Introduzione
Questo lavoro di tesi si pone l'obiettivo di analizzare la risposta uidodinami-
a divalvole ardia he me ani he, poste in posizione aorti a, on l'utilizzo di
un dispositivo per lamisura del tipo pulse dupli ator. Tale studio oinvolge lo
studio della dinami a di apertura e hiusura valvolare, la misura diretta delle
omponenti pressorieventri olare ed aorti a, non hèl'analisilo aledei ampidi
velo ità a valle della valvola on te ni a PIV.
L'apparato sperimentale è stato ostruito per la quasi totalità inself mode al-
l'interno dellaboratorio diIdrauli a dell'Università laSapienza diRomaed è il
risultatodiannidiperfezionamento;èstatomodi atonel orsodelprogettoper
poteressere onforme alle spe i he esigenze,se ondo quanto verràdes ritto.
La forza dell'appro io sperimentale ondotto in tal modo è proprio quella di
poter ustomizzare se ondo le singole esigenze e modi are in orso d'opera
la ma hina, a se onda degli aspetti he si vogliono indagare; intervenendo at-
traversomodi helo aliqualoranonvenganosoddisfatteleaspettative. Il uore
dell'apparato è rimasto omunque il medesimo nel orso dello svolgimento del
progetto. La gestione esterna delle omponenti me ani he avviene attraverso
softwareLabView edeseguibili MatLab, he permettonodi ontrollare lesingole
parti ed eseguirematerialmenteleprove.
Le indagini sperimentali, le prove, risultano essere il vero nu leo del lavoro, in-
torno ad esse ed in funzione delle stesse si sono arti olate le fasi del progetto,
se ondoun'idea distepimprovement. Nonsaràpossibileinquestepagineripro-
durre fedelmentela dinami atemporale he ha vistola ri er adella ondizione
miglioreallo svolgimento delle misure; verrannoenfatizzate solo quelleparti del
lavoro he hanno eettivamente dato un forte ontributo alla buona rius ita
del progetto. Sembra però doveroso ri ordare ome questa sia solo una pi ola
parte,il ulmine,diunlaboriosoelungolavoro diavvi inamentoalla ondizione
(o on gurazione) piùvi inaal aso siologi o.
L'anima dell'appro io sperimentale può sembrare dunque dispersiva, a volte
nonrigorosa, ma iònon èveroinassoluto,erisulterà hiarodurantelalettura.
ome tale appro io permetta di osservare in modo diretto la vera natura dei
fenomenie,selettonelmodogiusto,fornis agiàdasèglispuntiperlamodi a.
La tesi è stata divisa in sette parti prin ipali in modo da aiutare il lettore a
destreggiarsi nella trattazione degli argomenti senza perdere il lo he lega tale
progetto. Nel apitoloduevienebrevementeintrodottalafunzionedella protesi
valvolare inmodogenerale, fo alizzandol'attenzione al aso divalvola ardia a
me ani a postainposizioneaorti a. Viene inoltreespressoilmotivoel'impor-
tanza di valutarne le aratteristi he e la funzionalità emodinami a sia a livello
globale he lo ale, ponendo parti olare attenzione a quali parametri valutare,
on uno sguardo omparativo all'appro io lini o intalsenso.
Nellaterza sezionevieneesposta laparteteori arelativa adun'analisidelle più
re enti normative esistenti he regolamentano la reazione e la messa in om-
mer io di protesi valvolari. Si andrà ad osservare in parti olare la UNI EN
ISO 5840, integrandola on le indi azioni rilas iate dall'FDA e le proposte for- nite dall'ACC-AHA.Lo s opo del apitoloèquello dianalizzare neldettaglio le
metodologiediprova hevengonoproposte,iparametriutilizzatiperdes iverela
funzionalità emodinami a,edirelativivaloriassunti omespe i heminimeper
larealizzazionedelle protesistesse. Inultimo,fornireunavalutazioneariguardo
delle normative ed un'ipotesi diintegrazione, inun'otti a dimiglioramento.
Il quarto apitolo è in entrato sull'apparato sperimentale. Ne vengonodes ritti
i omponenti e le parti prin ipali, sia hardware he software, on uno sguardo
an heallarealizzazioneprati a heha oinvoltolediversesezioni. Questosiaper
rendereparte ipeillettoreedintrodurloalfunzionamento,maan he perfornire
un'utile base per uno sviluppo ulteriore. Nel proseguo del apitolo verrà illus-
trata lateoriariguardo all'analisiedaltrattamento deidatinelpost-pro essing;
tale parentesi vuole essere un'introduzione teori a riguardo alle metodologie di
analisi software, e fornire le basi per poter svolgere le prove di misura e om-
prendere irisultati heverranno proposti nell'apposita sezione.
Adintroduzionedelquinto apitolosiprenderàinesamela on gurazionemigliore
perottenerelemisure, on lospe i o obiettivo difornire una lineaguida per
poterle svolgere in modo ripetibile e on su iente a uratezza. Verranno il-
lustrate approfonditamente le metodologie di prova, le ondizioni nelle quali si
è operato, il funzionamento dell'apparato in relazione al risultato da ottenere,
l'azionamento ed il ontrollo operati via software. In parti olare si vuole porre
all'attenzionetali aratteristi henell'otti adiproveriguardantii ampipressori,
di usso,non hèl'analisidellamatri edeivettoridivelo itàottenuta graziealla
elaborazionedidatied immaginida uno studio PIV on parti elle tra ianti.
La sestasezionetrattainteramentedelle proveeettuateedeirisultatiottenuti,
si dierenzia in tre parti prin ipali: la prima riguardante l'analisi qualitativa
della dinami a di apertura e hiusura valvolare, lase onda è inve e fo alizzata
sullostudiodeiparametriglobalidel usso,edunaterza heanalizzail ampodi
moto a livello lo ale,a valle della valvola. Tali prove sonoanzitutto presentate
bili. Vengonosu essivamente analizzatineldettaglio irisultati, per ias unodei
tre appro i, perpoter dare delle valutazioni nali e omplete sull'operato. In
parti olare si porranno all'attenzione, in su essione, l'indagine del movimen-
to valvolare in funzione della urva di portata e dell'orientamento valvolare, si
porranno a onfronto le grandezze signi ative nei ampi pressori on irelativi
parametri minimi ri hiesti dalla normativa ISO 5840, mentre l'indagine lo ale
sifo alizzerà nell'osservarei ampidivelo itànell'intornodeilembivalvolari,la
vorti ità eglisforziditaglio, quantitàdiprimario interesseperla omprensione
delmotoedella potenzialitàemoliti adelsostitutovalvolare. Il apitolosette si
poneildupli eobiettivoditirarele ladiquantodetto,fornendoallettoreuno
sguardoriassuntivodel lavorosvolto edesprimendo inmodo sinteti oirisultati
ottenuti. Non hè presentare pregi e difetti ris ontrati nell'apparato sperimen-
taleed,inotti adimiglioramento, fornireal uni spuntiutilioviealternative di
indagine.
La protesi valvolare me ani a:
ruolo e aratteristi he
2.1 Breve introduzione alla siologia ardiovas olare
Il sistema ir olatorio può,inprima approssimazione,essere pensato ome l'a -
oppiamento di due ir uiti idrauli i in serie tra loro. Il primo, riguardante
la parte sistemi a, portail sangue ossigenato dal uore sinistro nell'organismo,
attraverso le arterie, ma an he il sangue da ossigenare dall'organismo al uore
destrotramitelevene. Edilse ondo,dettodella ir olazionepolmonare,ilquale
trasporta il sangue da ossigenare dal uore destro ai polmoni, tramite l'arteria
polmonaree lesuediramazioni, edil sangueossigenato asuavoltadaipolmoni
al uoresinistro, tramitelevenepolmonari. Elemento fondamentale dis ambio
traidueèil uore, doppiapompapulsatile hefornis e ostantementel'energia
ne essariaalla orrettaossigenazione ditutti itessuti dell'organismo.
Il uore omprendequattro amere, lesuperiorisonogli atri ele inferiori iven-
tri oli. La separazionefra leparti ègarantita dalle valvole, an h'esseinnumero
pariaquattro. Inf ig.2.1[1 ℄sipossonoosservareladisposizioneelaformadelle suddettevalvole. La ontrazioneedilatazione delmus olo ardia o,adoperadei
sar omeridi ui è omposto, sonopro essi dinaturaelettri a omplessima he
hannoil fondamentale ompitodirius ire agarantire una orrettae sistemati a
ontrazionedel uore inogni ir ostanza.
I parametri più importanti a livello siologi o per quanto riguarda la sistole,
periodo del i lonel quale il sangueviene espulsodal ventri olo sinistroad ali-
mentaretutti gliorgani,sonotre. Ilprimo èlagittata ardia a,ostroke volume
(SV), ed indi a il volume di sangue pompato nel singolo i lo. Normalmente
si ha un valore di 64 − 75 ml/batt in ondizioni di riposo sino a raggiungere i
100 − 110 ml/batt in ondizioni diforte stress si o [2 ℄. Direttamente legato a questovièl'indi ediportata ardia a( ardia output), hesiesprimeinl/min.
Si ottiene moltipli ando lo stroke volume per in numero di battiti, heart rate,
A titolo di esempio si onsideri un soggetto a riposo on HR di 75 batt/min
ed uno SV di 64 ml/batt;si ottiene subito lasua portata al minuto, pari a 4.8 l/min. Con questo sempli e al olo si vuole solamente porre l'attenzione e far ri ettere sindaorasullavorosvoltodal uorenel orsodellavitadiunsoggetto,
e del ari o i li o a uiè sottoposto ostantemente, senza al unapausa.
Figura 2.1. Visione del uore dal piano frontale e di una sezione se ondo il piano
orizzontale.
Dopoquestabrevedigressione, heavevailsempli es opodifornireunapanoram-
i a moltorapida sul funzionamento del uore [2℄, osserviamo on più dettaglio
lafase del i lo ardia o he piùinteressaquesto studio: lasistole.
Questa si individua grossomodo nel periodo dieiezione del sangue nel ir uito
sistemi o attraverso lavalvolaaorti a, heseguead unabrevissimafasein uiil
uore èa amera hiusae dove siveri a una ontrazioneda partedelventri o-
lo. Ilmedesimosangueerastatoa umulatonelventri olonellafasedidiastole.
L'azioneme ani a hesiosservainsistoleè aratterizzata daunaduratamolto
ridotta rispetto all'intero i lo, di ir a un terzo del totale, ma altempo stesso
da un'estremaforza eser itatadalle pareti del ventri olo sul uidoe dalsangue
sulle paretidell'aortanel momento in ui siaprelavalvolaaorti a, ed ilsangue
può de uire nel ir uito arterioso. Valori tipi isonodi0.8 s peril i lototale e
di0.3 s perlafasedisistole.
Inunafrazione dise ondo( ir a0.4 s)sisu edonounnumero elevatodieventi
genzail ventri olo sinistro. Su essivamente siha la ontrazione isovolumetri a
del uore, he porta la pressione interna alla amera a superare lapressione in
aorta (sifa qui riferimento al uore sinistro). Quandoquesta èsu ientemente
elevata,inmododagarantirealsanguediraggiungerepoi onl'ondadipressione
tutte leparti anatomi he, si aprelavalvolaaorti a, permettendo il de usso del
sangue. In ne, al termine dell'eiezione, il usso stesso permette la ri hiusura
della valvola inmododa evitare unre ussonon siologi oinventri olo.
Laf ig.2.2 aiutaa omprendere ilfenomeno del i lo ardia onella suatotalità.
Inparti olareosservando omealvariare delle ondizionidiapertura e hiusura
dellevalvole(lefasidel i lo)siassista aimportanti ambiamenti nellepressioni
enelvolumeventri olare. Nelsu essivoparagrafosi ontinua aparlaredi uore
sinistro, ma si pone l'a ento al ruolo della valvola aorti a. Nello spe i o al
suofunzionamento, alla uidodinami a he la ontraddistingue ed alla suasos-
tituzione in asodigravi patologie.
Figura 2.2. Il i lo ardia o: le suefasinel tempoe l'andamento dellepressioniedel
volumenel ventri olosinistro.
2.2 La valvola aorti a nativa
La valvola aorti avienean he identi ata ome tri uspide semilunaredove tale
denominazione è direttamente ollegata alla sua siologia. Si presenta infatti
ostituita da tre lembi di tessuto onnettivo po o vas olarizzato, on aggiunta
di proteinein misura variabile, i qualihanno una forma he ri orda una mezza
luna. Le uspidi sono onnessead un anello broso, detto anello valvolare, he
separa l'aorta dalventri olo ed interpone la amera ventri olareai seni di Val-
salva. Inf ig.2.3[2 ℄ èpossibileosservarnel'anatomia; inprima approssimazione possonoesseredes ritti omedeirigon amentidellaradi eaorti a,unoperogni
lembo valvolare. Inoltre si nota he la lunghezza delle uspidi è maggiore del
raggio dell'anello broso, si hèilembistessisisovrappongonoavalvola hiusa,
mentrea valvolaaperta siestendono sinoalle estremità superiorideiseni.
Il omportamentodinami odellavalvolaèunfenomeno omplessodaanalizzare
nella suatotalità, sia perla di oltà diosservazione direttadel movimento sia
perla omplessariprodu ibilità delsito. Ma questonon haimpedito losvilup-
parsi, sin dagli anni sessanta, dinumerosi esperimenti ed indagini, tutti aventi
los opodianalizzaree omprenderele aratteristi he dinami he dellavalvolae
del motodelsanguee uente dalventri olo[3 ℄. Il gettoinus itadalventri olo,
heattraversalavalvolaedarrivainaorta,puòinprimaapprossimazioneessere
tradottoinunos hemaidrauli oin uiuna orrentepassadaunprimo ondotto
ad un se ondo, on diametro dierente, attraverso un ori zio he nel orso di
ogni i lo ardia osimodi a informae dimensione. Ri ordando he learterie
presentano un arattere elasti o, he il sangue è un uido vis oso on reologia
omplessa, e hesi ha unmoto pulsatile,si intuis e ome l'analisi delproblema
on un appro ioteori o ovverosperimentale sia tutt'altro he banale.
Figura 2.3. Parti olare anatomi o della radi e aorti a, in ui vengono posti
Gli esperimenti in vivo hanno mostrato he l'apertura della valvola non è im-
mediata, mapresenta una fortedipendenza daltempoe quindidall'istantedel-
l'eiezione he si onsidera. In letteratura [4℄ la dinami a è des ritta permezzo
dell'evoluzioneneltempodeltermineee tive ori e area, he indi aquella he
in idrauli a è hiamata sezione di vena ontratta, ioè la sezione e uente dal
getto he presenta area minima. Il legame tra il valore istantaneo di EOA ed
il valore istantaneo dell'area geometri a dell'ori zio (Geometri Ori e Area,
GOA)è tale he,almeno intermini qualitativi, sipuòesaminare ladinami a di
EOA piuttosto di quella di GOA. Osservando un tipi o andamento dell'EOA
(Ee tiveOri e Area) siologi osinota omead iniziosistoleilembivalvolari
siaprano on una velo ità elevatamanon istantaneamente, seguendo pendenze
diverse sinoa raggiungere un valore dipi o he individua l'istante dimassima
apertura; in questafase si nota il attering, fenomeno di os illazione dei lembi
valvolarisottoposti allaforte pressionedieiezionedelsangue heli ostringead
aprirsi. La ompleta apertura si ha perun tempo ragguardevole, se onsidera-
to l'adimensionale t/T per ir a 0.6 − 0.7 t/T, mentrela hiusura della valvola
presenta un gradiente molto forte, in questa fase i vorti i reatisi nei seni di
Valsalva,edunre usso siologi odell'ordinedel2dellostrokevolume,aiutano
i lembi valvolari a ompletare la dinami a di orretta hiusura. I fenomeni de-
s ritti sono ben intuibili in f ig.2.4 dove viene illustrata a sinistra la dinami a
valvolare da dati in vivo e nella parte destra un' utile ri ostruzione nel aso in
ui si debbano sviluppare modelli matemati i he des rivano il ampo dimoto
nelle vi inanze della valvola. Da notare he in f ig.2.4 è sovraplottato an he l'andamento dell'EOA misuratoinun soggettoaettodastenosi,esi può om-
in iaread intuire ilforteimpatto he può reare unamalattia valvolarealbuon
funzionamento della valvolae,dunque, del uore.
Figura 2.4. Sinistra: andamento temporale dell'EOA misurato in un paziente aet-
to da stenosi della valvola aorti a a onfronto onun aso non patologi oed, a de-
stra,unari ostruzionesempli ata,an oradamisureinvivo,perunpossibilemodello
matemati o.
