An experimental apparatus for isolated contractile hearts from abattoir swines

86 Pages·2017·21.54 MB·English

POLITECNICO DI MILANO
SCUOLA DI INGEGNERIA INDUSTRIALE E DELL’INFORMAZIONE
Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria
Laurea Magistrale in:
Ingegneria Biomedica - Biomeccanica e Biomateriali
An experimental apparatus for
isolated contractile hearts from
abattoir swines
Relatore:
Prof. Riccardo VISMARA
Correlatori:
Prof. Gianfranco Beniamino FIORE
Dott. Michał Lukasz JAWOREK
Dott. Federico LUCHERINI
Tesi di laurea di:
Giulia PARIGI
837129
2017 - 2018
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Contents
1 Introduction 20
2 Anatomy and physiology 23
2.1 Anatomical structure of the heart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Electrical conduction system of the heart . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Physiology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1 Cardiac cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2 PV loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.3 Frank-Starling mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.4 Guyton’s model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 Blood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 State of the art and project specifications 35
3.1 Harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Cardioplegia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Perfusate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Langendorff reperfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5 Hydraulic circuit components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.1 Afterload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.2 Oxygenator and heat exchanger . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5.3 Preload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5.4 Arterial filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.6 Working mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.7 Obtained results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.8 Project specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4 Materials ad methods 49
4.1 Afterload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1 Lumped parameters model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.2 Working fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2
4.1.3 Dimensioning and manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.4 Experimental afterload tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2 Platform configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 Connectors and instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3 Preliminary tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.1 Blood management test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.2 Training tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4 Harvesting protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5 Beating heart protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 Results and discussions 72
5.1 Afterload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.1 Characteristic resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.2 Peripheral resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.3 Tests with biological samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1.4 Lumped parameters model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Preliminary tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.1 Training tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.2 Blood management test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3 Beating heart test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6 Conclusions 81
3
Estratto
Introduzione
Le malattie cardiovaliscolari sono una delle cause maggiori di morte in Europa. Le tec-
nichepertrattarequesteparticolarimalattie(siafarmacologichechebasatesull’utilizzo
di dispositivi) sono in continuo sviluppo. Per poter effettuare affidabili test preclinici
delle nuove tipologie di trattamento e limitare la sperimentazione animale, è neces-
sario sviluppare modelli cardiovascolari realistici. Questi modelli possono avere diversi
impieghi. Ad esempio, possono essere usati per lo sviluppo di nuove procedure chirur-
giche, per effettuare test che valutino la funzionalità di nuovi dispositivi o, addirittura,
come dispositivo medico per il trapianto di organi. Essi sono classificabili in quattro
gruppi: modelli animali, duplicatori di impulsi, sistema a cuore pulsante passivo e
sistema a cuore pulsante isolato. Lo scopo di questo lavoro di tesi, sviluppato in col-
laborazione con il laboratio ForcardioLab, è di sviluppare un sistema a cuore pulsante
isolato utilizzando un cuore di suino proveniente da macello. In questa tipologia di ap-
parato, il sistema cardiovascolare viene simulato con un opportuno circuito idraulico,
mentre il cuore si contrae autonomamente, come se fosse ancora in vita.
Materiali e metodi
Postcarico
È stato sviluppato un sistema di post-carico in grado di riprodurre l’impedenza sistem-
ica. Il post-carico è stato progettato come rappresentazione idraulica di un modello a
parametri concentrati a tre elementi: una resistenza caratteristica, una compliance e
una resistenza periferica. I componenti idraulici sopra elencati sono stati progettati e
costruiti per soddisfare i valori presenti in letteratura. Il post-carico è stato proget-
tato per essere compatto e modulare, ed è composto da cinque parti (fig. 1) connesse
tramite flange. Ogni parte può essere sostituita per ottenere diversi valori di resistenza.
La resistenza caratteristica è stata ottenuta con 588 tubi da 1 mm di diametro e
lunghi 40 mm, inseriti in un collettore in PMMA. La resistenza è stata dimensionsata
4
Figure 1: Post carico
utilizzando l’equazione di Poiseulle’s (eq. 1)
128∗µ∗L
R = (1)
bundle n∗pi∗D4
in cui µ è la viscositò del sangue, L è la lunghezza dei tubi, n è il numero di tubi,
D è il diametro interno di ogni tubo.
La compliance è stata simulata tramite un serbatoio chiuso posto a pressione at-
mosferica. Il volume di aria iniziale richiesto è stato di 3 litri, ottenuto dalla equazione
2
P2
V = −k ∗C ∗ e (2)
0
P
0
incuiV èilvolumediariainiziale,C èlacompliance,P èlapressionediesercizioeP è
0 e 0
la pressione atmosferica. L’approccio analitico presuppone l’approssimazione dell’aria
a gas ideale e considera le trasformazioni termodinamiche isoterme ed adiabatiche.
La compliance è stata realizzata in due compartimenti: uno incluso nel post-carico, di
piccolo volume, e l’altro, di maggior volume, posto a distanza e connesso al post-carico.
Laresistenzaperifericaèstataottenutaconcomponentidiformaconicaecilindrica,
posizionati all’interno di elementi di forma complementare. (fig 2).
Il fluido scorre nell’intercapedine tra l’elemento esterno e quello interno. Lo sposta-
mento coassiale della parte interna rispetto all’esterna permette di cambiare la distanza
tra le due superfici, quindi la resistenza (fig. 3).
Le intercapedini sono state calcolate analiticamente per poter riprodurre le con-
5
Figure 2: Resistenza periferica
Figure 3: Regolazine della resistenza periferica
dizioni di ipertensione, ipotensione e normotensione utilizzando l’equazione modificata
di Poiseuille per condotti anulari (eq.3) (lo spazio tra la parte interna ed esterna è stato
modellizzato come una serie di condotti anulari di lunghezza infinitesima, contribuendo
insieme al valore di resistenza totale):
∆P 8∗µ∗dl
R = = (3)
an.cond. Q pi∗(r2 −r2)∗[(r2 +r2 − re2−ri2 )]
e i e i log(re)
ri
dove µ è la viscosità del fluido, Q è il flusso, dl è la lunghezza dei condotti, re e ri
sono, rispettivamente, il raggio esterno ed interno.
Il meccanismo che permette di cambiare la distanza dei due componenti è basato su
unasistemavite-madrevite. Questorendeilsistemadipost-caricoestremamenteversa-
tile. I risultati analitici ottenuti durante il dimensionamento del post-carico sono stati
confrontati con quelli ottenuti da test sperimentali in condizioni di flusso stazionario.
Campioni biologici sono stati invece utilizzati per test sperimentali in condizioni di
flusso pulsatile, permettendo l’identificazione delle condizioni di lavoro del post-carico.
Configurazione del sistema
Loschemadelcircuitoutilizzatonegliesperimenticoncuorepulsanteisolatoèmostrato
in figura 4. È composto da 5 sotto-circuiti con funzioni specifiche:
• Circuito di ossigenazione (rosse e verde): è composto da due percorsi differenti.
Entrambi ricircolano il sangue attraverso l’ossigenatore - scambiatore di calore
(OXY) e il filtro arterioso (F) dai serbatoi venosi (RES,PL).
• Circuito di riempimento (arancione): è stato utilizzato per riempire le linee di
6
Figure 4: Schema del circuito per il cuore battente isolato
lavoro prima che il cuore fosse collegato al sistema.
• Circuito di Langendorff (blu): è stato usato nella procedura di rianimazione del
cuore grazie alla perfusione coronarica.
• Circuito di recupero (nero): è stato usato per recuperare il sangue uscente dai
seni coronarici, che è stato riportato al pre-carico.
• Circuito di lavoro (giallo): permette la normale circolazione: dal pre-carico, al
cuore, al post-carico. Questo circuito è stato usato solo dopo aver recuperato la
contrattilità miocardica a seguito della procedura di Langendorff.
Test preliminari
Sonostatieffettuatidegliesperimentipreliminariperacquisiremanualitàconilsistema
e con la gestione sangue.
Il sangue è stato trattato con 5000 UI/l di eparina per evitare la coagulazione. Suc-
cessivamente, è stato filtrato e fatto circolare nel circuito di ossigenazione. Sono state
sperimentate quattro differenti miscele di aria e anidride carbonica per l’ossigenazione,
ed è stata monitorata la concentrazione di ossigeno.
In aggiunta, sono stati effettuati tre esperimenti preliminari per permettere ad ogni
membro del gruppo di acquisire familiarità con il sistema e con la procedura di labo-
ratorio. Anche i chirughi hanno partecipato agli esperimenti preliminari.
7
Protocollo di espianto
1. Espianto, somministrazione della soluzione cardioplegica e trasporto: Dopo la
rimozione degli organi interni dell’animale, i chirughi hanno separato il cuore dai
polmoni. Successivamente, il cuore è stato lavato in una soluzione salina con
aggiunta di eparina. La soluzione cardioplegica di St. Thomas è stata iniettata
nelle coronarie e il cuore è stato immerso in un contenitore riempito con ghiacchio
e soluzione cardioplegica per il trasporto.
2. Prelievo e trasporto del sangue: sono stati prelevati 10 litri di sangue da di-
versi animali, raccolto in taniche preventivamente eparinizzate. Il sangue è stato
trasportato in laboratorio prima del cuore per snellire le procedure in laboratorio.
Protocollo per il cuore battente
1. Ossigenazionedelsangue: ilsangueèstatoossigenatoescaldatousandol’apposito
circuito di ossigenazione. Il pH è stato controllato e portato entro i limiti.
2. Preparazione del lavaggio delle coronarie riempimento del circuito: la linea blu è
statariempitaconsoluzionesalinainpreparazioneallavaggiocoronarico. Succes-
sivamente, il circiuto è stato riempito con il sangue precedentemente ossigenato.
3. Preparazione del cuore: il cuore è stato preparato inserendo i connettori aortico
ed atriale, che hanno permesso il collegamento del cuore al circuito.
4. Lavaggio delle coronarie: le coronarie sono state lavate con la soluzione salina
precedentemente preparata (punto 1) per eliminare i residui della cardiolplegia.
Questo è stato fatto con una pressione di perfusione di 100mmHg.
5. Perfusione di Langendorff: La perfusione di Langendorff è stata condotta con il
sangue ad una pressione di 100mmHg per 5 minuti, fino a che il cuore non ha
mostrato le prime contrazioni. A questo punto, l’ossigenazione è stata spostata
sulla linea verde.
6. Modalità operativa: dopo che il cuore ha iniziato a contrarsi, è stato aperto il
circuito per la normale modalità di lavoro.
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Risultati
Caratterizzazione del post-carico in condizioni di flusso stazionario
e pulsatile
In fig.5 vengono mostrare le curve di pressione-flusso per la resistenze caratteristica:
la blu è quella ottenuta dalla soluzione analitica mentre la rossa è il risultato di test
sperimentali.
Figure 5: Resistenza caratterisctica: curva pressione-flusso
Il trend è lineare ed il valore di resistenza predetto dalla soluzione analitica è ac-
curato. Fig.6 mostra i risultati sperimentali per la resistenza periferica. A sinistra le
curve di pressione-flusso per flussi da 2 l/min a 7 l/min, a destra la curva di resisteza-
intercapedine per i risultati analitici e sperimentali.
Figure 6: Resistenza periferica: curva flusso-pressione (sinistra) e resistenza-intercapedine (destra)
La relazione tra pressione e flusso è lineare nell’intervallo considerato. Si nota che
i calcoli analitici sottostimano i valori di resistenza.
Ilvalorediresistenzaottenutoperlaresistenzacaratteristicaèstatodi0.9mmHg*min/l,
in linea con quello desiderato. L’intervallo ottenuto per la resistenza periferica è stato
tra 10 e 35 mmHg*min/l, il quale include il valore desiderato di 16 mmHg*min/l.
Nellafigura7sonomostratiirisultatideitestcondottisucamponibiologiciazionati
dalsistemapompanteesterno. Asinistravengonoillustratelecurvedipressioneaortica
per diversi valori di resistenza. Gli esperimenti sono stati effettuati a 70 bpm e 94 ml di
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