Preliminary development of a platform for training in cardiovascular therapies

Valvular pathologies are increasing their incidence on the population, and it is believed that the current pandemic situation will further influence the data in the coming years [1]. In the last few years, transcatheter and minimally invasive techniques have been developed and have become very popular in cardiac surgery, capable of drastically reducing the operative risk, reducing hospitalization and facilitating the patient's post-operative recovery. These are new therapies that require careful training of the surgeon and medical staff. In this context, hydraulic test benches hosting animal cardiac structures provide a fundamental support as they allow to reproduce the hemodynamic, physiological, or pathological conditions of the circulation and to simulate the environment in which the surgeon will work. The aim of this thesis work is to design a hydraulic test bench capable of reproducing the physiological left ventricular movement of a porcine heart, which can be used as a tool for cardiac surgical training in transcatheter operations. The developed bench consists of a hydraulic system that, thanks to a volumetric pump, cyclically inflates and deflates an inner tube that surrounds the heart, allowing the contraction and release of the left ventricle. In an initial phase, tests were performed to identify the best design conditions that would allow the highest possible aortic flow, the best repeatability of results, and the most efficient mitral valve closure. In this sense, the optimal size and length of the air chamber, and the correct orientation and height of the heart relative to the pump were identified. Once the final design was identified, considering the great variability of results obtained with different samples in the first tests, a search was made for possible correlations between certain anatomical characteristics and the recorded cardiac output; an analysis of the flow and pressure curves produced by the system was also carried out. The most relevant anatomical characteristic is the ventricular volume, which directly affects the recorded flow. While the flow and pressure curves recorded showed a trend similar to the physiological one, but with different values and ranges. Comparing the videos acquired during the operation of the developed platform with the ones of the bench currently available in the laboratories of the Politecnico di Milano (IPML), the physiological movement of the left ventricle in the developed system was confirmed, contrary to what happens in the IPML in which the paradoxical movement of the ventricular walls is evident. In conclusion, despite the limitations in reproducing a correct physiological fluid dynamic, the developed test bench represents a valid solution for the simulation of transcatheter techniques involving the left ventricle; the correct induced ventricular movement certainly represents a situation more familiar and similar to the one in which the clinician will operate with respect to other systems developed.

Le patologie valvolari stanno aumentando la loro incidenza sulla popolazione e si ritiene che la situazione pandemica attuale influirà ulteriormente sui dati dei prossimi anni [1]. Negli ultimi anni sono state sviluppate e si sono fortemente diffuse in cardiochirurgia tecniche transcatetere e mininvasive in grado di diminuire drasticamente il rischio operatorio, ridurre l’ospedalizzazione e facilitare il recupero post-operatorio del paziente. Si tratta di terapie nuove che richiedono un accurato training del chirurgo e del personale medico. In questo contesto, banchi prova idraulici che ospitano strutture cardiache animali forniscono un supporto fondamentale in quanto permettono di riprodurre le condizioni emodinamiche, fisiologiche o patologiche della circolazione e di simulare l’ambiente operatorio. Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di progettare un banco prova idraulico in grado di riprodurre il fisiologico movimento ventricolare sinistro di un cuore porcino, che possa essere utilizzato come strumento per il training cardiochirurgico in operazioni transcatetere. Il banco sviluppato consiste in un sistema idraulico che, grazie a una pompa volumetrica, va a gonfiare e sgonfiare ciclicamente una camera d’aria che avvolge il cuore, permettendo il ristringimento e il rilascio del ventricolo sinistro. In una fase iniziale sono stati eseguiti test finalizzati all’individuazione delle migliori condizioni di design che permettessero il flusso aortico più alto possibile, la miglior ripetibilità di risultati e la chiusura della valvola mitrale più efficiente. In tal senso sono state individuate la dimensione e la lunghezza di camera d’aria ottimali, e la corretta orientazione e altezza del cuore rispetto alla pompa. Individuato il design finale, alla luce della grande variabilità di risultati ottenuta con diversi campioni nei primi test, è stata effettuata una ricerca di possibili correlazioni tra determinate caratteristiche anatomiche e il flusso in uscita registrato; si è proceduto anche con l’analisi delle curve di flusso e di pressione prodotte dal sistema. La caratteristica anatomica che è risultata più rilevante è il volume ventricolare che va ad incidere direttamente sul flusso registrato. Mentre le curve di flusso e pressione registrate hanno mostrato un trend smile a quello fisiologico, ma con valori e range lontani e diversi. Confrontando i video acquisiti durante il funzionamento del banco sviluppato con quelli del banco disponibile attualmente nei laboratori del Politecnico di Milano (IPML), si è confermato il movimento fisiologico del ventricolo sinistro nel banco sviluppato, al contrario di quanto accade nel sistema IPML in cui è evidente il movimento paradossale delle pareti ventricolari. In conclusione, nonostante i limiti nel riprodurre una corretta fluidodinamica fisiologica, il banco prova sviluppato rappresenta una valida soluzione per la simulazione di tecniche transcatetere che coinvolgono il ventricolo sinistro; il corretto movimento ventricolare indotto rappresenta sicuramente una situazione più famigliare e simile a quella in cui andrà ad operare il clinico rispetto ad altri sistemi presenti.