Sviluppo di un protocollo per misure eco-Doppler in sistemi sperimentali in vitro

Every year 17.9 million deaths are caused by cardiovascular pathologies. Among them, some of the most common are valvulopathies, that are diseases of the cardiac valves mainly diagnosed with Doppler echocardiography. It is a non-invasive procedure that uses Doppler ultrasonography to examine the morphology and the functionality of the cardiovascular system. In the last decades, the surgical treatment of valvulopathies has been improved thanks to the development of minimally invasive techniques, which make the surgical procedure accessible to an increasing number of patients. To improve and optimize these new approaches, the development of test benches able to simulate the cardiac fluid dynamics is crucial. Moreover, echo-Doppler instrumentation should be included into these platforms to evaluate hemodynamic parameters compatible with those obtained in vivo. In this context, the present thesis aims to develop an experimental protocol for echo-Doppler measurements in test benches. In particular, the work considers two different aspects: the identification of a Doppler-compatible fluid and the integration of the ultrasound transducer in the experimental setup. The different fluids identified from literature are tested in steady-state and pulsatile conditions to select the most Doppler-compatible one. The fluid that best matches to the blood in terms of physical properties and ultrasound interaction is made of water (68.90%), glycerol (30.00%), surfactant agent (0.60%) and cornstarch (0.50%). Furthermore, it has been tested with a simplified model of stenotic aortic valve and in ex-vivo applications to evaluate its suitability in the estimation of the clinical parameters used to assess the severity degree of the pathology. The velocity profile has been extracted from the DICOM images using a specific algorithm that requires a threshold parameter that should be evaluated according to the working conditions.

Tra le patologie cardiovascolari, che ogni anno causano 17.9 milioni di decessi, si collocano le valvulopatie, ovvero patologie riguardanti anomalie delle valvole cardiache. Queste vengono principalmente diagnosticate con l’utilizzo dell’ecocardiografia Doppler: si tratta di un esame strumentale non invasivo che, mediante l’utilizzo di ultrasuoni, permette l’analisi morfologica e funzionale del sistema cardiocircolatorio. Ad oggi, il trattamento delle valvulopatie ha subito un’evoluzione grazie allo sviluppo di tecniche mininvasive, le quali hanno permesso di rendere accessibili gli interventi a un maggior numero di pazienti. La necessità di una continua ottimizzazione di questi nuovi approcci chirurgici rende di fondamentale importanza lo sviluppo di banchi prova per la simulazione della fluidodinamica cardiaca. Inoltre, l’inclusione della strumentazione eco-Doppler all’interno di queste piattaforme risulta di primario interesse al fine di condurre valutazioni emodinamiche facilmente confrontabili con quelle ottenute in vivo. In questo contesto, il presente lavoro di tesi tratta lo sviluppo di un protocollo sperimentale per l’ottenimento di misure ecocardiografiche in vitro. In particolare, i due aspetti presi in considerazione sono l’individuazione di un fluido compatibile con l’eco-Doppler e l’integrazione dell’eco-Doppler come strumento di misura all’interno del banco prova. La selezione dei fluidi effettuata mediante test in regime stazionario e pulsatile ha portato all’ identificazione del fluido più simile al sangue sia in termini di proprietà fisiche che di interazione con gli ultrasuoni. Questo, costituito da acqua (68.90%), glicerolo (30.00%), agente surfattante (0.60%) e amido di mais (0.50%), ha dimostrato anche la sua adeguatezza nella stima dei principali parametri utilizzati per la valutazione del grado di severità della stenosi aortica sia per un modello semplificato della patologia sia per applicazioni ex-vivo. Per lo sviluppo del lavoro è stata necessaria l’estrazione del profilo di velocità a partire dalle immagini DICOM mediante un algoritmo che ha previsto l’imposizione di un parametro soglia, il quale deve essere valutato in funzione delle condizioni di lavoro.