Closed-loop control of electric sensing and actuation in an heart-on-chip device

In recent years, cardiovascular diseases have emerged as a leading cause of death globally, while treatments show evident limits. A valid alternative to animal and in-vitro experimentation for pre-clinical cardiovascular-disease modelling and cardiac-function simulation is offered by Heart-on-Chip (HoC) devices. These devices make it possible to replicate the dynamics, functionality and physiological responses of engineered heart tissues (EHT). This thesis presents the development of a closed-loop control system that permits communication between two systems – stimulation and measurement – of a miniature EHT platform previously developed at TU Delft. The proposed design guarantees the use of cellular responses to electrical stimulation in order to re-modulate the stimulation itself, creating virtual homeostasis for the tissues that have formed inside the microfluidic platform. Accessing the capacitive values digitally converted by an evaluation board made it possible to utilize and analyze the data concerning the contraction force exerted by the engineered tissues, permitting the consequent generation of electrical stimulation parameters. A microcontroller was employed to intercept data, while a graphical user interface (GUI) was developed to allow data visualization and analysis. The closed loop as well as its components were accurately tested in order to validate their efficacy and reliability, exposing their limits, issues and possibilities for future enhancements. The results highlighted the limitation of the evaluation board, which is unable to follow input signals with high variability. The converter is not capable to represent the input signals with high frequencies and low pulse-widths (PWs) injected through the experiments, without distortions. The incorrect calculation of the time-dependent parameters of the signals hinders the use of the measured data by the sensing system for the generation of correct stimulation parameters, which must be sent to a microcontroller for the generation of electrical signals. The data visualisation in the developed GUI has been tested in order to evaluate the extent of the delay generated during the data plotting. From the results, there emerged a constant relation between the GUI time and real time, highlighting a fixed delay for each value received from the microcontroller in the sensing system through serial communication. This work describes a potential strategy to efficiently create communication between two systems as complex as the ones utilized in the project. The results suggest that a conversion frequency of 49.8Hz can’t allow a faithful representation of the input signals, highlighting the necessity of higher frequencies. Furthermore, the GUI can be used as groundwork for future improvements, both in the setup and functionalities. The project lays important foundations for the future implementation of a closed-loop in an EHT platform. The methods employed introduce an innovative solution for communication between electronic systems, absent in the literature until now, with a potential implementation also in fields other than the biomedical.

Negli ultimi anni le malattie cardiovascolari rappresentano la maggiore causa di morte nel mondo, mentre i trattamenti presentano evidenti limiti. Un’alternativa valida alla sperimentazione animale e in-vitro per la modellizzazione delle malattie cardiovascolari e simulazione delle funzionalità cardiache è offerta dagli Heart-on-Chip (HoC). Questi dispositivi permettono di replicare le dinamiche, funzionalità e risposte fisiologiche di tessuti cardiaci ingegnerizzati. Questa tesi presenta lo sviluppo di un circuito chiuso che permette la comunicazione tra due sistemi- stimolazione e misurazione-di una piattaforma engineered-heart-tissue (EHT) in miniatura precedentemente realizzata alla TU Delft. Questa progettazione garantisce l’utilizzo delle risposte cellulari ad una stimolazione elettrica per ri-modulare la stimolazione stessa, creando una omeostasi virtuale per i tessuti formati all’interno della piattaforma microfluidica. L’ accesso a valori capacitivi digitali convertiti per mezzo di una scheda di valutazione ha reso possibile l’utilizzo e l’analisi dei dati concernenti la forza di contrazione esercitata dai tessuti ingegnerizzati, permettendo la conseguente generazione dei parametri di stimolazione elettrica. Un microcontrollore è stato impiegato per intercettare questi dati mentre una graphical-user-interface (GUI) è stata sviluppata per consentirne la visualizzazione e analisi. Il circuito chiuso così come i suoi componenti sono stati accuratamente testati per valutarne efficacia ed affidabilità, esponendone i limiti, problematiche e possibilità per sviluppi futuri. I risultati hanno evidenziato i limiti della scheda di valutazione, la quale non riesce a seguire segnali in ingresso particolarmente variabili. Il convertitore non è capace di rappresentare senza distorsioni i segnali in ingresso con alte frequenza e basse larghezze di impulso testati durante gli esperimenti. Il calcolo incorretto dei parametri tempo dipendenti dei segnali impedisce l’utilizzo dei valori misurati dal sistema di misurazione per la generazione di parametri di stimolazione corretti, i quali dovranno essere mandati ad un microcontrollore per la generazione dei segnali elettrici. La visualizzazione dei dati nella GUI creata è stata testata in modo da valutare l’entità del ritardo generato durante la rappresentazione grafica dei dati. Dai risultati è emersa una relazione costante tra tempo calcolato nella GUI e tempo reale, evidenziando un ritardo fisso dato da ogni valore ricevuto dal microcontrollore usato nel sistema di misurazione tramite comunicazione seriale. Questo lavoro descrive una potenziale strategia per mettere efficacemente in comunicazione due sistemi complessi come quelli presenti nel progetto. I risultati suggeriscono che una frequenza di conversione di 49.8Hz non permette di rappresentare fedelmente i segnali in ingresso, evidenziando la necessità di frequenze maggiori. Inoltre, la GUI può essere usata come punto di partenza per futuri miglioramenti, sia nella sua struttura che nelle funzionalità offerte. Il progetto pone importanti basi per la futura implementazione del circuito chiuso nella piattaforma EHT. I metodi impiegati introducono una soluzione innovativa per la comunicazione di sistemi elettronici, non presente in letteratura, con potenziale implementazione anche in campi diversi da quello biomedico.