Sviluppo di un banco prova compatibile con risonanza magnetica per lo studio della fluidodinamica aortica

The aorta can be affected by many pathologies that compromise its function and endanger the patient’s life. The Magnetic Resonance Imaging (MRI) is considered the clinical gold standard for the assessment of the aortic diseases thanks to its ability to provide detailed anatomical images without using ionizing radiations. The purpose of this thesis was to design an MRI-compatible mock circulation loop to assess physiological pressure and flow waveforms in in vitro aorta models under pulsatile flow conditions. The design and the sizing of the mock loop was supported by the development of a lumped-parameter model of the hydraulic circuit that was implemented on Simulink® (MathWorks, Inc.). The mock circulation loop was composed of a piston-driven pulsatile pumping system which was connected to a ventricular chamber, a delivery tube, an aortic phantom and a systemic impedance simulator. Since the pumping system is made of ferromagnetic elements, it was placed 6 m away from the emitter to ensure the MRI-compatibility of the circuit. Nevertheless, the distance between the ventricular chamber and the aortic phantom implies fluid-dynamic implications that must be controlled (delivery tube compliance, inertance). For this reason, it was considered appropriate to include a hydraulic resistance to dampen the oscillations and two compliance chambers to adjust the compliance of the whole system. The test section included an aortic phantom upstream of which there was a cardiac aortic valve. Pressure and flow waveforms were assessed on the phantom under physiological conditions, using the model developed on Simulink® and using experimental tests at different values of heart rate (60, 70 and 80 bpm) and of stroke volume (60, 70 and 80 mL). The mock circulation loop tested different configurations, with either a mechanical or a biological aortic valve and with a rigid or a compliant polymeric aortic phantom. The experimental pressure and flow waveforms in aorta were comparable to those obtained through simulations and they were like physiological ones, particularly in the configuration with biological aortic valve and compliant aortic phantom with a length of 30 cm. The presence of compliance chambers allowed the system to be adapted to different configurations and working conditions, making the mock loop versatile. Moreover, the computational model accurately predicted the experimental waveforms trend.

L’aorta è soggetta a numerose patologie che ne compromettono la funzionalità, mettendo a rischio la vita del paziente. Per la valutazione delle patologie aortiche, la risonanza magnetica è considerata la tecnica diagnostica di riferimento, in quanto fornisce immagini anatomiche dettagliate senza l’uso di radiazioni ionizzanti. Il seguente lavoro di tesi ha come obiettivo la progettazione di un banco prova pulsatile compatibile con risonanza magnetica che permetta di replicare in modelli di aorta in vitro curve di pressione e di flusso fisiologiche. La progettazione e il dimensionamento del banco prova sono stati supportati dallo sviluppo di un modello a parametri concentrati del circuito idraulico, successivamente implementato su Simulink® (MathWorks, Inc.). Il banco prova comprende un sistema pompante pulsatile a pistone collegato a una camera ventricolare, un condotto di mandata, un fantoccio di aorta e un simulatore di impedenza sistemica. Poiché il sistema di pompaggio è costituito da elementi ferromagnetici, è stato posizionato a 6 m di distanza dall’emettitore, così da garantire la compatibilità del circuito con risonanza magnetica. Tuttavia, la distanza tra la camera ventricolare e il fantoccio di aorta comporta implicazioni fluidodinamiche che devono essere controllate (compliance del condotto, inertanza). Per questa ragione, si è ritenuto opportuno inserire una resistenza idraulica per smorzare le oscillazioni e due compliance, sottoforma di camere d’aria, per modulare la compliance complessiva del sistema. La sezione di test include un fantoccio aortico a monte del quale si ha una valvola aortica. A livello del fantoccio sono state acquisite, mediante simulazioni su Simulink® e prove sperimentali, curve di pressione e di flusso in condizioni fisiologiche, variando la frequenza cardiaca (60, 70 e 80 bpm) e il volume sistolico di eiezione (60, 70 e 80 mL). Il banco prova ha permesso di testare diverse configurazioni, con valvola aortica meccanica o biologica e con fantoccio aortico polimerico rigido o compliante. Le curve di pressione aortica e di flusso aortico ottenute sperimentalmente sono confrontabili con quelle ottenute dalle simulazioni e hanno forme d’onda simil-fisiologiche, in particolare nella configurazione con valvola aortica biologica e con fantoccio aortico compliante di lunghezza pari a 30 cm. La presenza delle camere d’aria ha permesso di adattare il sistema circuitale a diverse configurazioni e condizioni di lavoro, rendendo quindi il banco prova versatile. Inoltre, il modello computazionale è riuscito a prevedere in maniera accurata l’andamento delle curve sperimentali.