Progettazione di Protesi ed Organi Artificiali - Appunti

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P ROGETTAZIONE!

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DI! ROTESI!ED!

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A.A.!2011!4!2012!

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- INDICE -

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+ Protesi!cardiovascolari + + + + + + + pag.+1+

! + Evoluzione+delle+protesi+valvolari+meccaniche+ + + pag.+2+

• +

Velocimetria+ad+immagini+di+particelle+(PIV)+ + + pag.+3+

• +

Time+ResolvedCPIV+ + + + + + pag.+7+

• +

PIV+stereoscopica+ + + + + + pag.+7+

• +

Stent+vascolari+ + + + + + + pag.+9+

•

+

+

+

Bioreattori!per!l’ingegneria!tissutale!e!la!medicina!rigenerativa +pag.+13+

! + Classificazione+dei+bioreattori+ + + + + pag.+15+

• +

Bioreattori+fisiologici+ + + + + + pag.+17+

• +

Requisiti+di+protezione+ + + + + + pag.+19+

• +

Monitoraggio+del+contenuto+ + + + + pag.+21+

• +

Bioreattori+per+il+tessuto+osseo+ + + + + pag.+24+

• +

Bioreattori+per+il+tessuto+cardiaco+ + + + pag.+29+

•

+

+

Metodo!degli!elementi!finiti

+ + + + + + pag.+35+

! + Elemento+asta+ + + + + + + pag.+38+

• +

Elemento+esaedrico+a+otto+nodi++ + + + pag.+40+

• +

Elemento+tetraedrico+a+quattro+nodi+ + + + pag.+42+

• +

Costruzione+della+matrice+di+rigidezza+della+struttura+ + pag.+44+

• Progettazione+di+Protesi+ed+Organi+Artificiali+

!P C

ROTESI! ARDIOVASCOLARI !

Prof.+Umberto+Morbiducci+ + mail:+umberto.morbiducci@polito.it+

Introduzione+

!

Il+cuore+è+composto+di+4+camere,+2+atrii+(destro+e+sinistro)+e+2+ventricoli+

(destro+ e+ sinistro)+ e+ la+ parte+ destra+ è+ separata+ da+ quella+ sinistra.+ Il+

sangue+ venoso+ arriva+ nell’atrio+ destro+ poi+ attraversa+ la+ valvola+

tricuspide+ e+ viene+ immesso+ nel+ ventricolo+ destro+ e+ da+ lì+ eiettato+ nella+

circolazione+ polmonare+ per+ ossigenarsi+ dopodiché+ torna+ al+ cuore+

nell’atrio+ sinistro,+ immesso+ nel+ ventricolo+ sinistro+ tramite+ la+ valvola+

mitralica+ed+eiettato+nella+grande+circolazione.+

+

+

+

+

+

+

+ VALVOLE+CARDIACHE+

!

Le+valvole+cardiache+possono+essere+divise+in+base+alle+parti+del+cuore+che+separano;+si+chiamano+semilunari+quelle+tra+i+

ventricoli+ e+ la+ grande+ circolazione+ (semilunare+ destra+ o+ polmonare;+ semilunare+ sinistra+ o+ aortica)+ o+ piccola+ che+ sia+ e+

atrioventricolari+quelle+tra+atrii+e+ventricoli+(atrioventricolare+sinistra+o+bicuspide+o+mitrale;+atrioventricolare+destra+o+

tricuspide).+

Lo+ scopo+ delle+ valvole+ è+ orientare+ il+ torrente+ ematico+ impedendo+ il+ reflusso+ ovvero+ evitare+ che+ il+ sangue+ torni+ nella+

camera+ dalla+ quale+ è+ appena+ stato+ eiettato+ diminuendo+ così+ il+ lavoro+ che+ deve+ effettuare+ il+ cuore+ come+ pompa.+

Solitamente+si+dice+che+una+valvola+fallisca+per:+

incompetenza:+trafilatura+del+sangue+in+senso+errato,+

• stenosi:+a+seguito+di+una+diminuzione+della+pervietà+del+vaso+le+valvole+si+irrigidiscono+perdendo+efficienza,+

• ++quando+una+di+questa+due+situazioni+si+verifica+si+deve+correggere+chirurgicamente+il+difetto.+

Le+cause+di+patologie+cardiache+possono+essere:++

febbri3reumatiche:3portano+ad+un+irrigidimento+della+valvola+provocando+stenosi,++

• difetti3congeniti3della3valvola:3portano+a+malformazioni+che+possono+passare+inosservate,+

• infezioni3batteriche:+causano+degrado+permanente+del+tessuto.+

•

+

Le+valvole+cardiache+possono+essere+anche+divise+in+base+al+tipo:+

valvole3meccaniche:+durano+più+di+quelle+biologiche+ma+provocano+una+maggiore+variazione+dell’emodinamica++

• che+ può+ portare+ alla+ formazione+ di+ trombi.+ Hanno+ caratteristiche+ specifiche+ ma+ size+

limitate+per+adattarsi+sia+all’adulto+sia+al+bambino;+ciò+che+importa+maggiormente+è+il+TAD+

(Tissue&Anulus&Diameter)+ed+il+Diametro&Idraulico&o&Effective&Orifice&Area+che+rappresenta+

l’effettivo+“spazio”+da+cui+potrà+fluire+il+sangue.+

valvole3biologiche:+fatte+in+pericardio+bovino+o+tessuto+valvolare+porcino+e+possono+essere+++

• stented+ o+ stenless+ a+ seconda+ che+ abbiano+ o+ no+ un+ supporto+ di+

ancoraggio+ al+ tessuto+ cardiaco.+ Il+ supporto+ aiuta+ la+ coaptazione+ dei+

foglietti+ e+ la+ competenza+ della+ valvola+ seppur+ con+ criticità+ strutturali+

sulle+cuspidi+causate+da+carichi+eccessivi.+Questo+tipo+di+protesi+non+ha+

bisogno+ di+ trattamento+ farmacologico+ ma+ i+ tessuti+ devono+ essere+

decellularizzati+per+diminuirne+la+denaturazione. +

valvole3polimeriche:+nuovi+tipi+di+valvole+di+cui+però+non+sono+stati+trovati+materiali+capaci++

• 3333333333di+sopportare+le+sollecitazioni.+

Progettazione+di+Protesi+ed+Organi+Artificiali+–+Protesi+Cardiovascolari+ 1+

Evoluzione+delle+protesi+valvolari+meccaniche+

!

Il+ primo+ metodo+ di+ protesizzazione+ fu+ lo+ STOPPER+ (figura+ a+ lato)+ la+ cui+

ideazione+ arrivò+ direttamente+ dal+ disegno+ del+ tappo+ per+ le+ bottiglie.+ Era+

composto+ da+ una+ palla+ ingabbiata+ che+ si+ muoveva+ in+ base+ al+ maggior+

gradiente+di+pressione.+

Questo+tipo+di+valvola+provocava+una+forte+emolisi+e+moto+turbolento+che+

poteva+ produrre+ zone+ con+ gradienti+ di+ velocità+ talmente+ bassi+ da+

consentire+ l’attivazione+ piastrinica+ e+ conseguente+ formazione+ di+ trombi.+

Aveva+ la+ palla+ costruita+ in+ un+ materiale+ che+ assorbiva+ lipidi+ ed+

ingrossandosi+poteva+impedirne+il+corretto+funzionamento+facendo+fallire+

la+protesi.+Il+primo+impianto+fu+eseguito+nel+1952.+

+

In+seguito+sono+stati+sviluppati+molti+metodi+come+la+circolazione+extracorporea+(ancora+oggi+non+è+comunque+chiaro+

se+sia+migliore+una+pompa+a+flusso+pulsato+o+continuo),+nuovi+materiali+biocompatibili+(riducono+il+rigetto)+che+hanno+

favorito+l’evoluzione+della+valvola+cardiaca+e+dell’operazione+d’impianto.+

La+prima+valvola+“a+lungo+termine”+fu+la+STARR>EDWARDS+(figura+a+lato)+che+fu+impiantata+

in+8+pazienti,+6+dei+quali+sopravvissero.+Il+suo+design+è+molto+simile+a+quello+dello+stopper.+

Anche+ questo+ tipo+ di+ valvola+ aveva+ gli+ stessi+ problemi+ della+ precedente:+ forte+ emolisi,+

attivazione+piastrinica+con+conseguente+pericolo+di+trombi.+

In+seguito+alla+sua+progettazione+fu+molto+importante+l’introduzione+di+

“93comandamenti”+che+ancora+oggi+regolano+la+progettazione+delle+valvole+cardiache:+

1. la+valvola+non+deve+variare+drasticamente+il+flusso+ematico;+

2. deve+durare+nel+tempo;+

3. deve+essere+facile+da+impiantare+per+il+chirurgo+(per+evitare+errori)+e+in+sicurezza+per+il+paziente;+

4. deve+preservare+le+funzioni+del+tessuto+circostante+(Ex:+radice+aortica);+

5. deve+garantire+livelli+di+turbolenza+minimi+per+limitare+la+dissipazione+di+energia+e+gli+sforzi+di+taglio;+

6. deve+essere+limitato+il+trauma+per+la+parte+corpuscolata+anche+in+regime+laminare;+

7. deve+essere+minimamente+rumorosa+(potrebbe+provocare+disagio+sociale);+

8. utilizzare+materiali+biocompatibili+e+durevoli;+

9. bisogna+stabilire+il+metodo+di+immagazzinamento+e+sterilizzazione+della+protesi.+

++

+

Una+variante+della+Starr^Edwards+è+la+valvola3a3gabbia3aperta+(figura+a+lato)+che+

provocava+una+minore+emolisi+ed+un+moto+meno+turbolento+senza+eliminare+del+

tutto+i+problemi.+Un+problema+che+si+verifica+è+l’assorbimento+di+lipidi+da+parte+

della+palla+provocandone+il+fallimento.++

+

+

+

+

+

+

Dopo+ questo+ tipo+ di+ valvole+ si+ cominciò+ a+ progettare+ VALVOLE3 CARDIACHE3 A3 SINGOLO3

FOGLIETTO+(figura+a+lato).+

Questo+ nuovo+ tipo+ di+ valvola,+ rispetto+ alle+ precedenti,+ è+ più+ simile+ alla+ valvola+ nativa,+

consente+ un+ flusso+ più+ naturale+ del+ sangue+ tramite+ 2+ orifizi+ e+ riduce+ maggiormente+

l’emolisi+ e+ la+ formazione+ di+ trombi+ senza+ comunque+ eliminare+ il+ problema.+ Solitamente+

erano+costruite+in+pirocarbone+perché+durevole+e+biocompatibile.+

L’accoppiamento+ tra+ anello+ e+ foglietto+ era+ inizialmente+ rotazionale+ ma+ si+ formavano+

coaguli+ che+ potevano+ condizionarne+ il+ funzionamento,+ successivamente+ si+ introdussero+

sferette+basculanti+che+permettevano+un+wash^out+del+sangue+ad+ogni+battito.+ 3

ST.3JUDE

+

+

2+ Progettazione+di+Protesi+ed+Organi+Artificiali+–+Protesi+Cardiovascolari+

Il+passo+successivo+fu+la+VALVOLA3A3DOPPIA3FLANGIA+che+ha+un+flusso+centrale+e+2+laterali+

semicircolari+che+permettono+velocità+più+ rettilinee+vicine+a+quelle+fisiologiche,+un+wash^

out+adeguato+dato+da+un+piccolo+spazio+tra+foglietto+ed+anello+che+favorisce+il+retro+flusso+

ed+inoltre+uno+spazio+tra+i+foglietti+per+evitare+l’usura+da+contatto.+

La+valvola+che+ancora+oggi+è+lo+standard+per+tutte+i+test+è+quella+della+ST.+JUDE+con+gabbia+

e+disco+in+carbone+pirolitico+e+foglietti+in+poliestere.+

La+ valvola+ della+ SORIN+ con+ i+ foglietti+ ricurvi+ permette+ un+ maggiore+ controllo+ della+

fluidodinamica+a+valle+e+rende+il+getto+centrale+ancora+più+importante.++

+ 3

SORIN

In+generale+i+rischi3maggiori+sono:+

trombosi+e+tromboembolismo,+

• infezioni,+

• emorragie+dovute+al+trattamento+anticoagulante,+

• crescita+del+tessuto+non+fisiologica,+

• perdite+paravalvolari+tra+anello+e+tessuto,+

• fallimenti+dovuti+a+fatica+o+mutazioni+chimiche.+

•

+

Esiste+ un+ altro+ dispositivo+ che+ non+ è+ una+ vera+ e+ propria+ protesi+ ma+ serve+ come+ supporto+ per+ non+ sovraccaricare+ il+

ventricolo+in+caso+di+recupero+del+miocardio,+il+VAD3(Ventricular&Assist&Device)+

+

Per+evitare+il+danneggiamento+del+sangue,+come+richiesto+dalle+norme+ISO+10993^4+occorre+dotarsi+di+criteri+di+progetto+

che+permettano+di+studiare+il+problema.+

Si+possono+utilizzare+2+approcci:+

computazionale,+

• sperimentale.+

•

Tra+le+tecniche+sperimentali+non+invasive+abbiamo:+l’anemometria3laser>doppler+(permette+di+calcolare+la+velocità+di+

un+punto)+e+la+velocimetria3ad3immagini3di3particelle+PIV3(permette+il+calcolo+del+campo+di+moto+su+un+piano).+

++ VELOCIMETRIA+AD+IMMAGINI+DI+PARTICELLE+–+PIV+

!

La+ PIV+ è+ una+ tecnica+ per+ la+ misura+ della+ velocità+ istantanea+

delle+ particelle+ su+ un’area+ e+ permette+ di+ ricavare+ mappe+ di+

velocità+simili+a+quella+riportata+a+lato.+

Al+contrario,+le+classiche+tecniche+di+anemometria+a+filo+caldo+e+

laser^doppler+rilevano+la+velocità+in+un+punto+nel+tempo.+

Il+ principio3 base3 della3 tecnica3 PIV+ è+ la+ registrazione+ di+ una+

serie+d’immagini+di+particelle+che+si+muovono+con+il+fluido+e+la+

determinazione+ del+ vettore+ velocità+ dalla+ misura+ dello+

spostamento+di+ogni+particella+ in+un+intervallo+di+tempo+noto.+

Possono+essere+utilizzate+particelle+di+latte,+rodamina,+di+talco+

e+di+fumo.+

3

PROCEDURA:++

1. Inseminazione+del+flusso+tramite+particelle+inseminanti;+

2. Illuminazione+del+campo+di+moto+in+esame;++

3. Acquisizione+di+una+coppia+d’immagini+successive++++

(intervallo+di+tempo+dt);+

4. Analisi+dell’immagine:+PROCESSAMENTO.+

+

La+quantità+effettivamente+misurata+è+la+velocità+delle+particelle+

traccianti+aggiunte+al+fluido+o+già+presenti+in+esso+come+impurità+

o+come+seconda+fase+in+flussi+bifase.

La+CONDIZIONE3FONDAMENTALE+che+occorre+è+che+la+particella+

inseminante+ e+ il+ fluido+ abbiano+ all’incirca+ la+ stessa+ velocità+

Progettazione+di+Protesi+ed+Organi+Artificiali+–+Protesi+Cardiovascolari+ 3+

altrimenti+si+rischierebbe+di+eseguire+il+calcolo+di+una+quantità+che+a+noi+non+interessa.+

Importante+è+anche+la+concentrazione3di3particelle+per+unità+di+volume,+solitamente+6+per+box.+

Esiste+ una+ concentrazione+ minima+ di+ particelle+ sotto+ la+ quale+ in+ alcune+ zone+ del+ campo+ di+ moto+ non+ sarà+ possibile+

determinare+la+velocità+ma+allo+stesso+tempo+al+crescere+del+numero+di+particelle+per+unità+di+volume,+le+loro+immagini+

cominciano+ a+ sovrapporsi+ ed+ interferire+ tra+ loro+ originando+ il+ cosiddetto “FENOMENO+ DI+ SPECKLE”+ ovvero+ la+

distribuzione+ casuale+ di+ intensità+ luminosa+ prodotta+ dalla+ sovrapposizione+ e+ dall’interferenza+ delle+ immagini+ delle+

particelle.

+

Per+quanto+riguarda+la+generazione3del3fascio3di3luce3laser+utile+per+effettuare+l’analisi+possiamo+utilizzare:+

LASER+ CONTINUO+ CON+ OTTURATORE+ MECCANICO:+ quest’ultimo+ interrompe+ il+ raggio+ e+ lo+ lascia+ passare+ solo+

• negli+istanti+fissati.+Problematiche:+non+consente+di+concentrare+forti+potenze+nello+stesso+istante,+difficoltà+di+

controllo+degli+otturatori+meccanici.

LASER+ PULSATI+ (Nd^YAG):+ il+ cristallo+ laser+ è+ composto+ da+ YAG+ e+ Niodimio;+ questi+ laser+ allo+ stato+ solido+

• permettono+ di+ regolare,+ per+ mezzo+ di+ un+ generatore+ di+ impulsi,+ quando+ il+ laser+ deve+ sparare+ e+ per+ quanto+

tempo.+Garantiscono+alta+energia+e+alta+potenza+per+unità+di+spazio+e+inoltre+riescono+a+concentrare+l’energia+

in+intervalli+di+tempo+anche+molto+brevi.+Questo+tipo+di+laser+solitamente+irradia+nel+verde.

La+ lampada+ eccita+ il+ cristallo+ dopodiché+ si+ instaura+ un+

flusso+ di+ fotoni+ tra+ il+ Q^switch+ (interruttore+ ad+ altissima+

precisione+ che+ si+ apre+ per+ valori+ di+ assegnati)+ e+ lo+

∆V

specchio+ semiriflettente;+ se+ la+ cavità+ ha+ una+ lunghezza+

ben+definita,+si+dice+che+la+dimensione+della+cavità+stessa+

è+risonante+(il+flusso+che+si+instaura+tra+questi+due+specchi+

è+massimo).

La+lampada+ha+un’emissione+di+tipo+gaussiano;+ad+un+determinato+t*+si+ha+intensità+massima+(+3^4000+Volt)+ed+

emissione+massima+di+fotoni+ed+i+Q^switch+si+aprono+quando+l’intensità+è+massima+in+modo+da+avere+un+laser+

risonante+che+emetta+ad+alta+potenza.+

Si+preferisce+usare+una+sorgente3di3luce3coerente+per+le+seguenti+ragioni:+

1. è+relativamente+più+facile+produrre+un+piano+di+luce+sottile;

2. si+ottengono+densità+di+energia+più+elevate;

3. la+lunghezza+d’onda+è+precisa;

4. si+ha+un+buon+controllo+nel+tempo+della+potenza+emessa ;

5. esistono+molte+particelle+che+diffondono+bene+questo+tipo+di+luce.

+

Il+ processo3 di3 acquisizione+ prevede+ di+ “scattare”+ due+ immagini+ (1256x1054+ pixel)+ tramite+ una+

telecamera+ digitale,+ solitamente+ collegata+ al+ generatore+ laser+ per+ garantire+ sincronismo,+ in+ due+

istanti+di+tempo+molto+ravvicinati.+Durante+la+fase+di+analisi+vengono+utilizzate+aree+di+interrogazione+

(Interrogation& Box+ di+ 16x16,+ 32x32,+ 64x64+ pixel)+ all’interno+ delle+ quali+ si+ valuta+ lo+ spostamento+

medio+delle+particelle+scatterate;+per+farlo+si+ricorrerà+al+processamento+delle+immagini+che+prevede+

l’antitrasformata+ della+ crosscorrelazione+ (il+ cui+ picco+ rappresenta+ lo+ spostamento+ medio)+ (figura+ a+

lato)+ delle+ immagini+ trasformate+ con+ la+ FFT+ (Fast& Fourier& Trasform)+ e+ moltiplicate+ tra+ loro;+ noto+ in+

ultimo+ il+ tempo+ intercorso+ tra+ le+ 2+ immagini+ si+ può+ ottenere+ un+ valore+ della+ velocità.+ Sulla+ mappa+

della+ crosscorrelazione+ saranno+ presenti+ anche+ altri+ picchi+ dati+ dal+ rumore+ (non+ perfetta+ area+ di+

interrogazione+oppure+particelle+che+sono+sparite+perché+uscita+dall’area).+

Molto+ importante+ è+ l’analisi3 euleriana3 del3 campo3 di3 moto+ che+

prevede+ l’acquisizione+ di+ N+ coppie+ di+ immagini+ per+ ciascuna+ fase+

cardiaca,+ di+ ciascuna+ coppia+ si+ calcola+ il+ campo+ vettoriale+ ed+ il+

valor+ medio,+ infine+ si+ valutano+ le+ fluttuazioni+ della+ velocità+ per+

caratterizzare+ la+ turbolenza+ nel+ campo+ di+ moto.+ Alla+ fine+ si+

ottengono+ mappe+ colorimetriche+ solitamente+ adimensionate+ che+

permettono+ di+ confrontare+ i+ risultati.+ In+ questo+ caso+ utilizziamo+

come+ riferimento+ la+ velocità+ media+ ricavata+ dalla+ portata+ noto+ il+

diametro+del+vaso+appena+sotto+i+seni+di+Valsalva+che+permette+di+

!

!

trovare+l’area:+!"#$%$% +.+

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!

Il+valore+sotteso+dalla+curva+sistolica+è+il+rigurgito3dinamico+mentre+

quello+sotteso+dal+momento+della+chiusura+della+valvola+in+poi+è+il+rigurgito3statico.++

Esempi+di+coppie+d’immagini+“scattate”+in+diverse+fasi+del+ciclo+cardiaco+le+troviamo+di+seguito.+

4+ Progettazione+di+Protesi+ed+Organi+Artificiali+–+Protesi+Cardiovascolari+

La+prima+all’inizio+della+fase+sistolica+in+cui,+anche+a+breve+distanza+di+tempo,+ci+sono+velocità+molto+diverse.+Le+zone+

evidenziate+ dal+ cerchio+ sono+ a+ bassa+ velocità,+ quelle+ in+ cui+ è+ più+ probabile+ l’attivazione+ piastrinica+ e+ conseguente+

formazione+di+trombi.+

+

+

Nelle+immagini+“scattate”+al+momento+del+picco+sistolico+si+osservano+abbastanza+distintamente+i+3+flussi:+2+laterali+più+

marcati+ed+uno+centrali+meno+intenso.+

+

In+ fase+ di+ chiusura+ della+ valvola,+ a+ fine+ sistole+ il+ flusso+ centrale+ è+ quello+ che+ “scompare”+ prima+ perché+ d’intensità+

minore+rispetto+a+quelli+laterali.+

+

+

+ Progettazione+di+Protesi+ed+Organi+Artificiali+–+Protesi+Cardiovascolari+ 5+

Altrettanto+importanti+sono+le+mappe3di3vorticità+che+descrivono+quanto+un+elemento+fluido+ruoti+attorno+ad+un+asse+

di+rotazione+che+è+il+vettore+vorticità+nel+punto+considerato+secondo+l’equazione+! = ∇ ⋅ !.+Dalle+immagini+d’esempio+

possiamo+ notare+ come+ i+ vortici+ (struttura+ fluidodinamica+ organizzata)+ controrotanti+ si+ generino+ vicino+ ai+ foglietti+

valvolari+e+successivamente+siano+spostati+a+valle+dallo+scorrere+del+fluido.+

+

È+ interessante+ sapere+ anche+ come+ l’impianto+ interagisca+ con+ globuli+ rossi+ per+ cui+ si+ effettueranno+ misurazioni+ che+

aiutino+a+capire+quali+saranno+le+zone+di+transizione.+++

+

+

Dalle+immagini+possiamo+vedere+che+la+zona+a+