Baroreflex control implementation and performance evaluation of a cardiovascular hybrid mock circulation loop

Cardiovascular devices need an extensive process of testing and validation before placing them in the market. In vitro evaluation of cardiovascular devices is usually made using conventional hydraulic mock loops which have limited versatility. In collaboration with the Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering “Giulio Natta” (Laboratory of Biological Structure Mechanics, LaBS) and the Istituto Cardiocentro Ticino, we aim at developing a hybrid mock loop providing realistic hemodynamic waveforms in different scenarios including rest, exercise, infarction, with and without cardiovascular device support. The whole set-up is very user-friendly: users can easily choose, through the graphic user interface (GUI), the cannulation type (right heart or left heart), the configuration of the mock loop and values of the heart rate (HR) and contraction fraction (CF) parameters. There are two main configurations: Baroreflex mode which exploits the baroreflex control mechanism for the unstressed venous volume (UVV), systemic vascular resistances (SVR) and heart rate (HR) and Device testing mode, which allows the tuning of heart rate and contraction fraction in real-time. The first configuration can be used to understand if the heart is recovering thanks to its auto-regulation mechanisms once the cardiovascular device has been implanted, the second is aimed at evaluating the interactions between the device and the numerical model of the circulation. The mock loop validation is done in three main phases: (1) Numerical model assessment. (2) Evaluation of the mock loop’s performance in reproducing the numerical tracings. (3) VAD integration in the mock loop. The numerical model is capable of following parameter changes real-time. When the baroreflex control is activated, the model is capable of re-establish a quasi-complete physiological pressure tracing consistently to the literature. When dealing with the comparison between experimental and theoretical tracings results are really promising, especially at low frequencies. The mock loop is capable of assessing the integration between the numerical patient model and the ventricular assist device, especially because the stroke work changes by the same amount between the numerical and the experimental curves.

I dispositivi di assistenza cardiovascolare necessitano di un lungo ed attento processo di validazione prima di essere messi in commercio e quindi impiantati nel paziente. La valutazione delle performance in vitro attualmente viene eseguita utilizzando simulatori idraulici convenzionali, solitamente poco versatili. Grazie alla collaborazione tra il Dipartimento di Chimica, Materiali ed Ingegneria Chimica ”Giulio Natta” (Laboratorio di Meccanica delle Strutture Biologiche, LaBS) e l’Istituto Cardiocentro Ticino, lo scopo della nostra tesi è lo sviluppo di un simulatore ibrido che possa riprodurre forme d’onda realistiche in scenari diversi tra cui il riposo, l’esercizio, l’infarto, con e senza supporto cardiaco. L’utente è facilitato nell’utilizzo da un’interfaccia grafica (GUI) da cui può scegliere sia il tipo di cannulazione (cuore destro o sinistro), la modalità di utilizzo e impostare i valori di contrattilità e frequenza cardiaca. Le configurazioni tra cui scegliere sono: Baroreflex control che indaga a fondo il controllo barocettivo agendo non solo sulle resistenze periferiche e il volume iniziale venoso ma anche sulla frequenza cardiaca e Device testing che permette di variare in tempo reale frequenza cardiaca e contrattilità. Lo scopo della prima configurazione è quello di comprendere se le funzioni cardiache stiano migliorando dopo l’impianto del VAD, la seconda configurazione serve invece a valutare l’influenza reciproca tra dispositivo e modello numerico cardiovascolare del paziente. La validazione del simulatore è stata fatta in tre fasi principali: (1) Validazione del modello numerico. (2) Valutazione della capacità del simulatore di riprodurre sperimentalmente i tracciati numerici. (3) Integrazione del VAD. In conclusione, l’interfaccia grafica permette intuitivamente all’utilizzatore di cambiare facilmente frequenza e contrattilità. Il modello numerico segue i cambiamenti dei parametri in tempo reale. Quando il controllo barocettivo è attivo il modello ristabilisce le pressioni quasi fisiologiche che ci aspettiamo dalla letteratura. Il confronto tra tracciati sperimentali e numerici sono promettenti, soprattutto a basse frequenze. Il simulatore permette la valutazione dell’interazione tra il modello cardiovascolare del paziente e il VAD, soprattutto perché il ΔSW varia concordemente nei tracciati numerici e sperimentali.