Design and validation of an MRI-compatible pulsatile mock circulation loop for the study of left heart fluid dynamics in porcine hearts

The heart 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 cardiac 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 replicate physiological pressure and flow waveforms in ex vivo porcine hearts 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 pump head, a delivery tube, a porcine heart, a preload, a systemic impedance simulator and a return tube. 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 pump head and the test section implies fluid-dynamic implications (delivery tube compliance, inertance, resistance) that must be controlled through an appropriate tuning of the model parameters that were obtained through an optimization process. The test section included a slaughterhouse-derived porcine heart on which pressure and flow waveforms were assessed under physiological conditions, using the model developed on Simulink® and performing experimental tests at different values of heart rate (60, 70 and 80 bpm) and stroke volume (60, 70 and 80 mL). The experimental pressure and flow waveforms in ex vivo porcine hearts were accurately predicted by the model and consistent to those obtained through simulations. The data acquired from different porcine samples demonstrated good repeatability and comparability. Both pressure and flow waveforms exhibited physiological-like behavior, with improved realism achieved in the configuration where the inertance of the systemic impedance simulator was minimized.

Il cuore è soggetto a numerose patologie che ne compromettono la funzione e mettono a rischio la vita del paziente. La Risonanza Magnetica (MRI) è considerata la tecnica diagnostica di riferimento per la valutazione delle patologie cardiache, 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 che permetta di replicare in cuori porcini ex vivo curve di pressione e di flusso fisiologiche. La progettazione e il dimensionamento del circuito 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 ad una testa della pompa, un condotto di mandata, un cuore porcino, un precarico, un simulatore di impedenza sistemica e un condotto di ritorno. Poiché il sistema di pompaggio è costituito da elementi ferromagnetici, è stato posizionato a 6 m di distanza dall’emettitore, al fine di garantire la compatibilità del circuito con risonanza magnetica. Tuttavia, la distanza tra il sistema pompante e il la sezione di test comporta implicazioni fluidodinamiche (compliance, inertanza e resistenza del condotto di mandata) che devono essere controllate mediante una corretta identificazione dei parametri del modello, ottenuti attraverso un processo di ottimizzazione. La sezione di test comprendeva un cuore porcino proveniente da macello, sul quale sono stati valutati gli andamenti di pressione e di flusso in condizioni fisiologiche, utilizzando il modello sviluppato in Simulink® ed eseguendo test sperimentali a diversi valori di frequenza cardiaca (60, 70 e 80 bpm) e volume di eiezione (60, 70 e 80 mL). Le onde di pressione e di flusso sperimentali nei cuori porcini ex vivo sono state accuratamente predette dal modello e risultano coerenti con quelle ottenute tramite simulazioni. I dati acquisiti da diversi campioni porcini hanno mostrato buona ripetibilità e comparabilità. Sia le onde di pressione sia quelle di flusso hanno evidenziato un comportamento simil-fisiologico, con un aumentato realismo nella configurazione in cui l’inertanza del simulatore di impedenza sistemica è stata minimizzata.