www.biomech.polimi.it Phantom per simulare interventi cardiovascolari Gianfranco Beniamino Fiore, Riccardo Vismara, Alberto Leopaldi XXXIV Scuola Annuale GNB - Bressanone, 21- 24 settembre 2015 Il contesto clinico 2 L’evoluzione dell’approccio chirurgico-interventistico G.B. Fiore Chirurgia cardiaca in laboratorio: Temi e soggetti interessati • Concezione di nuovi atti chirurgici 3 Ricerca . • Proof of concept di nuovi dispositivi • Sviluppo di nuovi dispositivi • Addestramento degli operatori R&D . Clinica . G.B. Fiore Interesse dell’industria Un phantom per la chirurgia cardiaca: 4 Quali opzioni? Simulatori idraulici (mock loop) Sistemi a cuore battente Simulatori per campioni ex vivo 2 1 3 G.B. Fiore 4 8 6 5 7 ?? Un phantom per la chirurgia cardiaca: Quali requisiti e quali aspettative? 5 Imaging simil-clinico (eco, Doppler, fluoro, …) Simulazione dell’atto chirurgico Anatomia Biomeccanica dei tessuti Meccanica del battito cardiaco Emododinamica pulsatile Altro imaging (endoscopia, HS video) Costo contenuto G.B. Fiore Un phantom per la chirurgia cardiaca: 6 Quali opzioni? Simulatori idraulici (mock loop) Sistemi a cuore battente Simulatori per campioni ex vivo 2 1 3 G.B. Fiore 4 8 6 5 7 ?? Sistemi a cuore battente: …una lunga storia… 7 Langerdorff, 1895 G.B. Fiore Sistemi a cuore battente: …una lunga storia… 8 De Weger A, et al. 2010 De Hart J, et al. 2011 (Görge G, et al. 1994 Modersohn D, et al. 2001) G.B. Fiore Sistemi a cuore battente: 9 Aspettative soddisfatte Imaging simil-clinico (eco, Doppler, fluoro) Simulazione dell’atto chirurgico Anatomia Biomeccanica dei tessuti Meccanica del battito cardiaco Emododinamica pulsatile Altro imaging (endoscopia, HS video) Costo contenuto G.B. Fiore Un phantom per la chirurgia cardiaca: Quali opzioni? Simulatori idraulici (mock loop) 10 Sistemi a cuore battente Simulatori per campioni ex vivo 2 1 3 G.B. Fiore 4 8 6 5 7 ?? Progettare un mock loop «come si fa»? 11 Modello concettuale del sistema Modello per la progettazione Z G.B. Fiore Laboratorio Progettare un mock loop «come si fa»? 12 Simulatore idraulico dell’impedenza sistemica Pulsatile pressure Pulsatile flow Simulatore idraulico dell’eiezione ventricolare G.B. Fiore Progettare un mock loop L’impedenza idraulica della circolazione 13 Frank O, 1899 G.B. Fiore Progettare un mock loop L’impedenza idraulica della circolazione 14 Hedon E, 1918 G.B. Fiore Progettare un mock loop L’impedenza idraulica della circolazione 15 100 00 Modello RC ‐1 Modulo (g s cm ) ‐4 10 00 Atrio destro Aorta 100 10 0 2 6 4 Freq u en za (H z) Atrio destro Aorta RC R CR R LRC R CLR C u m a n o 50 Fase (gradi) 10 8 100 Modello RCR Sharp MK, et al. 1999 RC RC R RL R C RC L RC um an o Aorta 0 ‐5 0 ‐1 0 0 0 2 4 6 F r eq u e n za (H z) 8 10 Atrio destro Modello RLRC Aorta Westerhof N, et al., 1969 Atrio destro Modello RCLRC G.B. Fiore Progettare un mock loop Il sistema pompante 16 Cornhill, 1977 Scotten et al., 1979 Q ∆P G.B. Fiore Progettare un mock loop «come si fa»? 17 Lanzarone E, et al., 2009 G.B. Fiore Progettare un mock loop «come si fa»? 18 35 Q [l/min] 25 15 5 -5 0 0.5 1 1.5 2 -15 -25 t [s] Portata mitralica Portata aortica G.B. Fiore Portata impostata Progettare un mock loop Sistemi commerciali e prototipali G.B. Fiore 19 Mock loop classici: 20 Aspettative soddisfatte Imaging simil-clinico (eco, Doppler, fluoro) Simulazione dell’atto chirurgico Anatomia Biomeccanica dei tessuti Meccanica del battito cardiaco Emododinamica pulsatile Altro imaging (endoscopia, HS video) Costo contenuto G.B. Fiore Un phantom per la chirurgia cardiaca: 21 Quali opzioni? Simulatori idraulici (mock loop) Sistemi a cuore battente Simulatori per campioni ex vivo 2 1 3 G.B. Fiore 4 8 6 5 7 ?? Simulatori ex vivo per componenti passivi Principio di funzionamento 22 Simulatore idraulico dell’impedenza sistemica Componente biologico passivo Pulsatile pressure Pulsatile flow Simulatore idraulico dell’eiezione ventricolare G.B. Fiore Simulatori ex vivo: 23 Aspettative soddisfatte Imaging simil-clinico (eco, Doppler, fluoro) Simulazione dell’atto chirurgico Anatomia Biomeccanica dei tessuti Meccanica del battito cardiaco Emododinamica pulsatile Altro imaging (endoscopia, HS video) Costo contenuto G.B. Fiore Progettare un simulatore ex vivo «come si fa»? 24 Modello concettuale del sistema Modello per la progettazione Z Modello del componente ex vivo G.B. Fiore Laboratorio Simulatori ex vivo per valvole escisse Georgia Tech’s LHS 25 Fontaine, et al. 1996 et al., et al., … G.B. Fiore Simulatori ex vivo per valvole escisse PoliMI’s MiAo G.B. Fiore 26 Simulatori ex vivo per valvole escisse PoliMI’s MiAo G.B. Fiore 27 Simulatori ex vivo per valvole escisse PoliMI’s MiAo G.B. Fiore 28 Simulatori ex vivo per valvole escisse PoliMI’s MiAo G.B. Fiore 29 Simulatori ex vivo per valvole escisse PoliMI’s MiAo 30 Vismara R, et al. IJAO 2011 G.B. Fiore Simulatori ex vivo per valvole escisse L’esperienza FoRCardioLab G.B. Fiore 31 Simulatori ex vivo per valvole escisse Forcardiolab’s ARFU G.B. Fiore 32 G.B. Fiore G.B. Fiore – Politecnico di Milano FoRCardioLab G.B. Fiore G.B. Fiore – Politecnico di Milano FoRCardioLab G.B. Fiore G.B. Fiore – Politecnico di Milano FoRCardioLab G.B. Fiore G.B. Fiore – Politecnico di Milano FoRCardioLab Simulatori ex vivo per valvole escisse Forcardiolab’s ARFU 37 Vismara, et al. Ann Biom Eng 2011 G.B. Fiore Simulatori ex vivo per cuori interi Forcardiolab’s Frankenstin Leopaldi AM, et al. J Biomech 2012 G.B. Fiore 38 Simulatori ex vivo per cuori interi Forcardiolab’s Frankenstin Leopaldi AM, et al. J Biomech 2012 G.B. Fiore 39 Simulatori ex vivo per cuori interi Forcardiolab’s Frankenstin G.B. Fiore 40 Simulatori ex vivo per cuori interi Forcardiolab’s Frankenstin G.B. Fiore 41 Replacement? 42 dalla ricerca scientifica all’industria G.B. Fiore Replacement? 43 dalla ricerca scientifica all’industria G.B. Fiore Replacement? dalla ricerca scientifica all’industria G.B. Fiore Epilogo 45 Lezioni imparate D I Y Do It Yourself Gabriel P, 1978 Z C M P P Contaminarsi Mantenendo le Proprie Prerogative G.B. Fiore K I S Keep It Simple