Design of a mock circulatory loop for the validation of computational models of ventricular assist devices

The aim of this thesis is to create an experimental setup to investigate the performances of a computational model of the Berlin Heart EXCOR VAD. Ventricular assist devices or VADs are a category of mechanical circulatory support devices implanted when the function of a native ventricle is impaired. In particular, the Berlin Heart is a pneumatic pulsatile VAD that until December 2020 was the only device approved for pediatric patients. Hydraulic circuits aimed at replicating sections or the whole cardiovascular system are often referred to as mock circulatory loops or MCLs. Most are based on the three-element Windkessel model, an RCR circuit in which a characteristic impedance is followed by a resistance and a capacitance positioned in parallel. To operate the Berlin Heart, a pneumatic drive unit was constructed. A custom data acquisition system, able to calculate test parameters in real time was also designed. Lastly, two different MCLs were built. The first circuit was found to be unsatisfactory due to a lack of versatility and the burdensome process of altering test parameters. The second MCL was electrically driven, allowing it to rapidly simulate a wide range of pathological and physiological conditions. The analysis of the performance of the two hydraulic circuits and the drive unit was performed under a wide variety of conditions. The drive unit displayed very positive performances, allowing the Berlin Heart to achieve complete filling and emptying in all the tests. The pressure and flow rates generated in the MCLs were compared with a computational RCR model implemented in LTspice. The experimental and simulated data were found to be a very close match. The pressure and flow rate data was then sent to the author of the Berlin Heart model. Unfortunately, the new set of simulated data was not as close of a match as was anticipated. Thus, an experimental protocol was designed to test the mechanical properties of the membrane of the VAD. The results showed differences between the behaviour of the membrane that was observed and the one hypothesized in the model.

Lo scopo di questa tesi è creare un set-up sperimentale che potesse essere usato per investigare le performance di un modello computazionale del Berlin Heart Excor VAD. I dispositivi di assistenza ventricolare, o VAD, sono una categoria di dispositivi per l’assistenza meccanica al circolo che vengono impiantati quando la funzionalità di un ventricolo è compromessa. In particolare, il Berlin Heart è un VAD pneumatico pulsatile che fino a dicembre 2020 era l’unico dispositivo approvato per uso pediatrico. I banchi prova atti a replicare parti o l’intero sistema circolatorio vengono definiti mock circulatory loops o MCLs. La maggior parte di essi si basa su un modello Windkessel a 3 elementi, un circuito RCR composto da un’impedenza caratteristica posta in serie a un condensatore e una resistenza in parallelo. Per azionare il Berlin Heart e per potere registrare pressioni e portate, un sistema di attuazione pneumatico e un sistema di acquisizione in grado di stimare i parametri di test in tempo reale sono stati costruiti. Inoltre, due diversi MCLs sono stati progettati. Il secondo, in cui è stato possibile rappresentare rapidamente un gran numero di condizioni fisiologiche e patologiche grazie al suo controllo elettronico, si è reso necessario dopo aver riconosciuto dei limiti di versatilità e nel range di parametri riproducibili nel primo circuito. L’analisi delle performance dei due MCLs è stata svolta testando una serie di condizioni molto varie. Il sistema di azionamento ha mostrato delle prestazioni eccellenti, riuscendo a garantire un completo svuotamento e riempimento del Berlin Heart in tutte le prove. Le curve di portata e pressione generate nei due MCL sono state comparate con quelle in uscita da un circuito RCR implementato nel software LTspice. I dati simulati hanno rispecchiato accuratamente le misure ottenute in tutte le prove. I dati pressori e di portata sono poi stati inviati all’autrice del modello di Berlin Heart, per essere comparati con quelli in uscita dal suo modello. Sfortunatamente, la differenza tra questi due set di dati è stata superiore a quella sperata. Nel tentativo di esaminare le cause di queste differenze, dei protocolli di prova per analizzare le proprietà meccaniche sono stati sviluppati, i risultati delle prove hanno mostrato delle discrepanze nel comporatamento della membrana tra quello osservato sperimentalmente e quello ipotizzato nel modello.