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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2018.tde-27082018-150622
Document
Author
Full name
Daniel Seidenberger Torres
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2018
Supervisor
Committee
Cestari, Idágene Aparecida (President)
Cardoso, Jose Roberto
Costa, Eduardo Tavares
Lima, Antonio Marcus Nogueira
Moriya, Henrique Takachi
Title in Portuguese
Simulador pediátrico InCor: desenvolvimento de um modelo hidráulico do sistema circulatório pediátrico com ajustes automatizados de pressões.
Keywords in Portuguese
Bioengenharia
Dispositivos e instrumentos médicos
Hemodinâmica
Interface gráfica
Modelos fisiológicos
Abstract in Portuguese
Os dispositivos de assistência ventricular (DAVs) podem ser utilizados para a estabilização hemodinâmica de pacientes à espera do transplante cardíaco. Os avanços nas tecnologias e a utilização de materiais biocompatíveis vem contribuindo para o desenvolvimento de dispositivos com dimensões reduzidas e menor trauma ao sangue. A avaliação do desempenho desses dispositivos demanda a utilização de simuladores hidráulicos do sistema circulatório que reproduzam as pressões e fluxos existentes nas condições fisiológicas de interesse. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um simulador da circulação pediátrica com ajustes automatizados de pressões. O simulador é composto por um circuito hidráulico modelando os laços sistêmico e pulmonar e um sistema microcontrolado com uma interface de usuário para medição e visualização dos fluxos e pressões ventriculares e automatização dos ajustes das pressões arteriais aórtica e pulmonar (PAo, PAP) e das pressões atriais esquerda e direita (PAE, PAD). Duas bombas pulsáteis com 15 ml de volume de ejeção são utilizadas para modelar os comportamentos mecânicos dos ventrículos esquerdo e direito. As complacências da aorta e da artéria pulmonar e as pré-cargas dos ventrículos são simuladas por câmaras com volumes ajustáveis de ar e líquido (análogo sanguíneo) utilizando uma bomba de ar. As resistências hidráulicas dos laços são ajustadas por oclusores motorizados. Os sinais instantâneos dos fluxos de entrada e saída dos DAVs e das pressões arteriais, atriais e ventriculares são obtidos por transdutores e digitalizados em um microcontrolador que comanda os oclusores e a bomba de ar. Foram desenvolvidos algoritmos para ajustes das resistências, complacências e pré-cargas. Uma interface gráfica de usuário apresenta os sinais em tempo real (ou gravados) permitindo a escolha dos parâmetros e condições de simulação. O desempenho do sistema de automatização foi avaliado nas simulações de: 1) condições definidas pelo aplicativo da interface e 2) condições fisiológicas (normal e redução na contratilidade do miocárdio). No modelo hidráulico sistêmico as pressões foram ajustadas em ambas as situações com erro máximo de 0,5% para a PAo e 5% para a PAE em aproximadamente 80 segundos. No modelo completo da circulação o erro máximo para as simulações de condições fisiológicas foi de 4% para as pressões arteriais e 5% para as atriais. Os resultados obtidos demonstram que o simulador desenvolvido permite reproduzir adequadamente as características da circulação pediátrica essenciais para a avaliação do desempenho de dispositivos de assistência mecânica. O simulador é portátil, de fácil utilização e pode ser utilizado como ferramenta didática ou para o treinamento de profissionais da saúde envolvidos em assistência a pacientes com suporte circulatório.
Title in English
InCor pediatric simulator: development of a pediatric mock circulation loop with an automated adjustment of pressures.
Keywords in English
Computational automation
Graphical user interface
Hemodynamics
Pediatric mock circulation loop
Ventricular assist devices
Abstract in English
Ventricular assist devices (VADs) can be used for the hemodynamic stabilization of patients waiting for heart transplantation. Advances in the technologies and the use of biocompatible materials have contributed to the development of devices with reduced dimensions and blood trauma. Evaluation of the performance of these devices demands the use of hydraulic simulators of the circulatory system that reproduce pressures and flows existing in physiological conditions of interest. This work aims to develop a simulator of the pediatric circulation with automated adjustments of pressures. The simulator consists of a hydraulic circuit modeling the systemic and pulmonary branches and a microcontrolled system with a user interface for monitoring flows and ventricular pressures, and automating adjustments of aortic and pulmonary arterial pressures (AoP, PAP) and left and right atrial pressures (LAP, RAP). Two pulsatile pumps with 15 ml ejection volume are used to model the mechanical behavior of the left and right ventricles. Aortic and pulmonary arterial compliances and preloads of the ventricles are simulated by chambers with adjustable volumes of air and fluid (blood analog) using an air pump. Motorized clamps adjust the hydraulic resistances of the loops. Instantaneous signals of VAD input and output flows and of arterial, atrial and ventricular pressures are obtained by transducers and digitalized in a microcontroller that commands the clamps and the air pump. Algorithms were developed to adjust the resistances, compliances and preloads. A graphical user interface displays signals in real time (or recorded) and allows selection of simulation parameters. The performance of the automation system was tested setting pressures in two situations: 1) simulations of random conditions defined by the interface software and 2) simulations of physiological conditions (normal and low myocardial contractility). In the systemic model, the pressures were adjusted in both cases (maximum error of 0.5% for AoP and 5% for LAP) in approximately 80 seconds. In the complete model, the maximum error for simulations of physiological conditions was 4% for arterial pressures and 5% for atrial pressures. The results obtained demonstrate that the simulator developed allows mimicking the relevant features of the systemic and pulmonary branches of the circulation needed to assess the performance of mechanical circulatory assist devices. The simulator is portable, easy to operate and can be applied in teaching and training of health professionals working with mechanical circulatory support of patients.
 
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Publishing Date
2018-09-03
 
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