Hardware in the loop framework of iteration heart-devices

In the last decade, medical devices have gradually become a key component in responding to people’s health needs. The exponential growth in the number and variety of medical technologies available on the market is certainly a great opportunity for healthcare providers, as well as for patients’ well-being and quality of life. Medical therapy devices need to interact with the patient to achieve a desired clinical result. Therefore, the patient is part of the final therapy system; nevertheless, during the development and validation phase of medical devices, the patient can not be involved in the design process. A replacement for the patient, or rather the body part which interacts with the therapy device, is needed. Nowadays, mathematical modeling and computer simulations aim to provide cardiac devices that can defeat cardiac diseases, being, at the same time, safe for the patient. Computer modeling of cardiac electrophysiology is very important to understand the processes that take place in healthy and diseased hearts. The most well-known and widely used in clinical and theoretical research set of physiological signals produced by electrical activity of the heart is electrocardiogram (ECG). The ECG is a record of electric potentials generated by the heart on the body surface because of propagation of activation and recovery waves through cardiac muscle tissue. During last years, the scientists have developed various heart’s models with different levels of details. In this thesis, the heterogeneous oscillator model of cardiac conduction system will be developed through the Hardware-in-the-loop (HIL) simulation, a technique that is used in the development and test of complex real-time embedded systems. HIL simulators consist of a software model of the simulated process and a physical interface to the therapy device. Hardware-in-the-loop configuration would guarantee the veracity of the simulation thanks to an interfacing with the real world. The presented HIL system of heart represents a valid tool to test new products. The key of its efficacy is due to its simplicity, its inexpensiveness and its reliability compared to the other existing techniques. The choice of the utilization of oscillator model is because it is capable of replicating the natural sinus rhythm of the heart and all the pathological conditions of interest. The dissertation of this thesis consists of the following chapters: • Chapter 1: Introduction. This chapter illustrates the main points of the thesis and an overview of the proposed methodology. • Chapter 2: State of art. This chapter presents a background and general informations about the previous developed heart’s models. • Chapter 3: Cardiac muscle and heart rate. This chapter describes heart’s anatomy, physiology on organ and cellular levels. • Chapter 4: Mathematical model of the heart. In this chapter, there is a description of the model of cardiac electrical conduction system consisting of a network of heterogeneous oscillators described by nonlinear differential equations. The model utilizes van der Pol equations for the cardiac pacemakers and FitzHugh- Nagumo-type equations for the atrial and ventricular muscles. Moreover, a parameters’ analysis is performed to analyze which is their effect on the shape of the ECG. • Chapter 5: Analysis of diseases detectable by the ECG. This chapter is focused on the reproduction of the implemented cardiac diseases: tachycardia, bradycardia and atrial fibrillation. • Chapter 6: Hardware-in-the-loop model. This chapter describes the model on HIL simulator, that improves the design process significantly as an interim stage between pure software simulation and test at a real process. Through this tool, the model is loaded on an oscilloscope and it is run both in physiological and pathological conditions. The model is, then, built in Simulink environment. • Chapter 7: Application: test of pacemaker. The virtual heart’s model developed in Simulink is connected to a pacemaker model, developed using state flow machines. In this way, the model is tested and validated. • Chapter 8: Summary and future work. In this chapter the conclusions of this thesis are described, and some possible directions for future researches are proposed. The developed model of the heart allows the investigation of the interactions among the main parts of the heart, with possibility to utilize various models for pacemakers, as well as evaluation and comparison of underlying cardiac dynamics with widely used in clinical practice ECG patterns.

Nel corso dell’ultimo decennio i dispositivi medici sono progressivamente divenuti una componente fondamentale di risposta al bisogno di salute degli individui. La crescita esponenziale del numero e della varietà delle tecnologie mediche disponibili sul mercato costituisce certamente una grande opportunità per i soggetti erogatori di prestazioni sanitarie, oltre che per il benessere e la qualità di vita dei pazienti. I dispositivi biomedicali prevedono spesso l’interazione con il paziente per conseguire il risultato medico desiderato. Conseguentemente, il paziente diventa parte integrante del sistema finale, nonostante, durante la fase di sviluppo e validazione dei dispositivi medici,non possa essere coinvolto nel processo di progettazione. Il ruolo dell’Ingegneria Biomedica è quello di simulare un modello del paziente e, più in particolare, della parte del corpo che interagisce con il dispositivo terapeutico. Attualmente, grazie al progresso scientifico-tecnologico, vengono realizzati dispositivi in grado di arginare le malattie cardiache e garantire sicurezza al paziente. La modellistica tramite calcolatore dell’elettrofisiologia cardiaca riveste un ruolo centrale nel comprendere i processi presenti in cuori sani e malati. L’elettrocardiogramma (ECG) è la riproduzione grafica dell’attività elettrica del cuore durante il suo funzionamento, registrata a livello della superficie corporea, ed è ampiamente utilizzato in campo clinico e teorico. In questa tesi, sarà sviluppato un modello di oscillatore eterogeneo attraverso la simulazione Hardware-in-the-loop (HIL) che rappresenterà il sistema di conduzione cardiaca. I simulatori HIL consistono in un modello software del processo simulato e in un’interfaccia fisica con il dispositivo terapeutico. La configurazione hardwarein- the-loop riesce a garantire la veridicità della simulazione grazie alla presenza di un’interfaccia con il mondo reale. Il modello del cuore rappresentato costituisce uno strumento valido per testare nuovi prodotti. La chiave della sua efficacia è legata alla sua semplicità, alla sua economicità e alla sua affidabilità rispetto alle altre tecniche esistenti. Inoltre, la scelta del modello di oscillatore consente di replicare sia il ritmo sinusale del cuore sia tutte le condizioni patologiche di interesse. La tesi si articola nei seguenti capitoli: • Capitolo 1: Introduzione. In questo capitolo vengono brevemente trattati i principali argomenti della tesi e viene fornita al lettore una panoramica della metodologia proposta. • Capitolo 2: Stato dell’arte. Questo capitolo inquadra lo stato dell’arte e fornisce informazioni generali sui precedenti modelli del cuore presenti in letteratura. • Capitolo 3: Muscolo cardiaco e frequenza cardiaca. Il capitolo descrive sinteticamente l’anatomia del cuore e la fisiologia a livello di organi e cellule. • Capitolo 4: Modello matematico del cuore. In questo capitolo viene illustrato il modello del sistema di conduzione elettrica cardiaca attraverso una rete di oscillatori eterogenei descritti da equazioni differenziali non lineari implementate nell’ambiente Matlab. Il modello utilizza le equazioni di van der Pol per i pacemakers cardiaci e le equazioni di FitzHugh-Nagumo per i muscoli atriali e ventricolari. Viene eseguita, inoltre, un’ accurata analisi dei parametri per comprendere quale sia il loro effetto sulla forma dell’ECG e la loro influenza sulle patologie rilevabili dall’elettrocardiogramma. • Capitolo 5: Analisi delle patologie rilevabili dall’ECG. Questo capitolo è incentrato sulle patologie cardiache in cui l’ECG è determinante dal punto di vista diagnostico; in particolare, veranno implementate matematicamente e riprodotte graficamente la tachicardia, la bradicardia e la fibrillazione atriale. • Capitolo 6: Modello hardware-in-the-loop. Questo capitolo descrive il modello realizzato attraverso il simulatore HIL, che migliora significativamente il processo di progettazione rendendolo una fase intermedia tra la simulazione del software puro e il test in un processo reale. Il modello viene successivamente caricato su un oscilloscopio digitale e la simulazione viene eseguita sia in condizioni fisiologiche che patologiche. Inoltre, lo schematico progettato viene realizzato anche nell’ambiente Simulink. • Capitolo 7: Applicazione: test di un pacemaker. Il modello del cuore virtuale sviluppato in Simulink viene collegato a un modello di pacemaker, sviluppato in stateflow; in questo capitolo viene testata la principale applicazione del modello e viene verificata la sua funzionalità. • Capitolo 8: Conclusioni e sviluppi futuri. In questo capitolo viene riepilogato il lavoro svolto in questa tesi e vengono proposte alcune possibili idee per ricerche e sviluppi futuri. Grazie al modello sviluppato è possibile studiare le interazioni elettriche tra le parti principali del cuore e si può testare la funzionalità un dispositivo biomedicale invasivo come il pacemaker, riducendo così i rischi per il paziente; viene, inoltre, resa possibile la simulazione di alcune patologie cardiache il cui effetto sull’ECG può essere valutato real-time attraverso semplici variazioni parametriche.