SISTEMA DUPLICADOR DE PULSOS PARA ANÁLISE IN VITRO

DE PRÓTESES DE VÁLVULAS CARDÍACAS – TESTES

PRELIMINARES DE VALIDAÇÃO

Ovandir Bazan1, Jayme Pinto Ortiz1,2

1Depto. de Engenharia Mecânica – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo (SP), Brasil2Escola de Engenharia - Instituto Mauá de Tecnologia – S.Caetano do Sul (SP)

E-mail: ovandir.bazan@usp.br; jportiz@usp.br

Resumo. Simulações de escoamento pulsátil através de próteses de válvulas cardíacas proporcionam a sua caracterização hidrodinâmica, de grande interesse científico e clínico. Após o desenvolvimento de um sistema duplicador de pulsos na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para ensaios hidrodinâmicos de próteses mitrais e aórticas, uma validação experimental se faz necessária a fim de replicar as características fisiológicas do sistema cardiovascular humano. Este artigo descreve alguns procedimentos e resultados obtidos com os testes preliminares de validação da bancada hidrodinâmica, baseados na instrumentação e sistema instantâneo de aquisição de dados iniciais. A instrumentação consistiu em dois transdutores de pressão, módulos condicionadores de sinais e um sistema de controle de temperatura. O programa de aquisição de dados foi implementado em LabVIEW para dois sinais analógicos de entrada, que foram adquiridos para permitir uma comparação com os estados ventriculares de uma pessoa adulta, saudável e na condição de repouso. Assim, um volume de ejeção ventricular de 70 mL, um batimento cardíaco de 70 bpm (batimentos por minuto) e um débito cardíaco de 4,9 L/min. foram impostos na bancada. Nas posições mitral e aórtica foram utilizadas, respectivamente, válvulas mecânicas de bola e gaiola e de duplo folheto. Neste trabalho de validação preliminar, o fluido de teste que passa através das próteses (água a 37 ºC) não replica as propriedades do sangue. Em conclusão, embora os níveis dos sinais de pressão adquiridos foram menores que os sistólicos e diastólicos esperados a partir dos estados ventriculares, mostraram uma boa repetibilidade. Através de ajustes em alguns dispositivos da bancada, espera-se poder replicar as formas de onda da literatura fisiológica humana. Alcançado este objetivo, escopo do próximo trabalho, o sistema duplicador de pulsos poderá ser validado.

Palavras-chave: Próteses de válvulas cardíacas, Simulação hidrodinâmica, Sistema duplicador de pulsos, Testes preliminares de validação.

1. INTRODUÇÃO

A caracterização hidrodinâmica de próteses de válvulas cardíacas dá-se por meio de sistemas duplicadores de pulso, capazes de replicar a fisiologia cardiovascular humana [Chew et al., 2001, Grigioni et al., 2004 e Milo et al., 2003]. Após o desenvolvimento de um sistema duplicador de pulsos na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para ensaios de desempenho de próteses mitrais e aórticas, uma validação experimental se faz necessária para comprovar que as respostas de pressão e vazão obtidas no simulador estão conformes à literatura. Este trabalho

descreve alguns procedimentos e resultados obtidos com os ensaios preliminares à validação, bem como uma breve comparação com os dados previstos na fisiologia.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

O sistema duplicador de pulsos que mimetiza as condições do lado esquerdo do coração humano está descrito num trabalho anterior [Bazan e Ortiz, 2011]. Os ensaios realizados estão baseados na instrumentação e no sistema de aquisição de dados iniciais, incorporados à bancada.

2.1. Materiais Utilizados

A instrumentação utilizada consiste em dois transdutores de pressão, dois módulos condicionadores de sinais (com fonte externa de 12V) e um sistema de controle de temperatura, incorporados à bancada hidrodinâmica. Nas posições mitral e aórtica foram utilizadas, respectivamente, válvulas mecânicas de bola e gaiola e de duplo folheto. Para a calibração dos trandutores de pressão, uma plataforma de medição e elevação de altura de coluna d’água foi estabelecida.

Um sistema de aquisição de dados preliminar foi implementado em LabVIEW (National Instruments, Corp.) para dois sinais analógicos de entrada e trabalha com hardware e drivers da Keithley Instruments, Inc. Tal instrumento virtual funciona com uma placa multifuncional de alta velocidade e um painel terminal de parafusos da Keithley, respectivamente, modelos KPCI-3110A (1,25 MHz, 12 bits) e STP-3110. Da mesma empresa, também utilizaram-se drivers 32-bits (DriverLINX) e ferramentas para trabalho no ambiente do LabVIEW.

As características do computador, que utiliza uma plataforma Windows XP 32 bits são: processador Intel Core i7-860 para 2,80 GHz e 2GB de RAM.

2.2. Metodologia

Cada transdutor de pressão e amplificador de sinal foi fornecido como um par conjunto. Constatou-se a necessidade de se usar módulos condicionadores de sinais para os transdutores de pressão ao verificar-se que a faixa de trabalho do dispositivo de aquisição de dados era de -10 a 10V. De qualquer modo, a faixa para operação com o LabVIEW foi de -5 a 5V. Além do valor da faixa, para a medição de sinais analógicos consideraram-se também outros fatores que afetam a qualidade do sinal digitalizado: modo, resolução, ganho, taxa de amostragem, precisão e ruído. Quanto ao modo, optou-se inicialmente por trabalhar com um sistema de medição de um só ponto; assim, as duas entradas foram aterradas ao mesmo terminal [Keithley, 2002]. Quanto à resolução, a placa KPCI-3110A da Keithley possui 12 bits. O ganho estabeleceu-se a partir dos amplificadores de sinal e da conversão dos valores de pressão em mmH2O para mmHg, dentro do programa em LabVIEW. Estabeleceu-se a taxa de amostragem de 1KHz. A precisão e o ruído foram considerados como inerentes ao modo de aterramento; para obter melhores resultados, foi concebido no programa (via software, portanto) um filtro de passa-baixa, considerando que as freqüências do ruído eram superiores às dos sinais de pressão.

No processo de implementação do programa em LabVIEW, algumas tomadas de pressão foram feitas com os transdutores ainda não calibrados. Inicialmente, para a elaboração e verificação do programa, simularam-se as variações de pressão por meio de uma seringa acoplada ao transdutor. Em seguida, com uma primeira versão do

programa, procedeu-se com a calibração dos próprios transdutores. Para tanto, montou-se uma plataforma de medição e elevação de altura de coluna d’água. A calibração consistiu, para cada medidor, na verificação dos valores de tensão induzidos para cada altura de coluna d’água estabelecida (a cada 20 mm), de modo a possibilitar a obtenção de uma curva que relacionasse essas variáveis. O procedimento de calibração compreendeu também algumas alturas de coluna d’água negativas, justamente para impedir o fenômeno de fundo de escala na aquisição de possíveis valores baixos de pressão (como as pressões no período da diástole). A Figura 1 mostra a montagem dos transdutores para o procedimento de calibração por meio da plataforma de medição e elevação de altura de coluna d’água estabelecida.

Figura 1. Calibração dos transdutores de pressão na plataforma de medição e elevação de altura de coluna d’água. Em destaque: fonte externa 12V para os condicionadores de sinais (A); dois condicionadores de sinais (B); painel terminal de parafusos da placa de aquisição de dados (C); ligação dos cabos de entrada analógica (D); aterramento comum (E); dois transdutores de pressão (F), bocal inferior da coluna d’água (G) e escala de medição da coluna d’água (H).

Após inserir as curvas de calibração no programa, as tomadas de pressão dos transdutores foram acopladas estrategicamente no sistema duplicador de pulsos: na parte superior do modelo do ventrículo esquerdo (onde as próteses mitral e aórtica estão dispostas) e ao final do modelo do duto aórtico. Tomou-se ainda o cuidado para que os transdutores de pressão estivessem fisicamente referenciados num mesmo plano (referência comum para as alturas manométricas).

O aquecedor foi colocado num reservatório que precede o modelo do átrio. Neste trabalho de validação preliminar, o fluido de teste que passa através das próteses (água a 37 ºC) não replica as propriedades do sangue.

Um volume de ejeção ventricular de 70 mL, um batimento cardíaco de 70 bpm (batimentos por minuto) e um débito cardíaco de 4,9 L/min. foram impostos na bancada para permitir uma comparação com os estados ventriculares de uma pessoa adulta, saudável e na condição de repouso [Guyton, 2006]. Nestas condições deu-se a aquisição dos dois sinais de pressão, por meio do programa final em LabVIEW.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A seguir são mostrados os resultados encontrados para a calibração de cada transdutor de pressão, assim como o programa elaborado em LabVIEW e as formas de onda de pressão obtidas com o funcionamento da bancada nas condições estabelecidas. Uma breve discussão sobre os valores de pressão obtidos e uma comparação com a literatura também são mostrados na discussão.

3.1. Calibração dos Transdutores de Pressão

A partir da metodologia estabelecida, os transdutores de pressão foram acoplados na plataforma de medição e elevação da coluna d’água e, a partir de uma primeira versão do programa de aquisição de dados, pôde-se obter a resposta dos transdutores. O Gráfico 1, abaixo, mostra os valores obtidos para as tensões de acordo as variações da altura de coluna d’água estabelecidas para cada transdutor de pressão. Cada ponto é o resultado de uma média (RMS) a partir de 1000 amostras, via programa.

3.2. Programa para a Aquisição de Dados

Após a primeira versão do programa, utilizado para a calibração dos transdutores de pressão, implementou-se ainda no LabVIEW a conversão dos dados (originalmente em Volts) para mmH2O e, em seguida, para mmHg. Também se estabeleceu uma forma de visualizar as ondas de pressão que fossem obtidas e de salvar os dados da aquisição em um arquivo. A Figura 2 mostra o diagrama de blocos implementado no LabVIEW.

Figura 2. Diagrama de blocos (LabVIEW) implementado para trabalhar com hardware e drivers da Keithley Instruments, Inc.

O programa foi concebido para a aquisição de 2 sinais de entrada analógicos (pressões ventricular e aórtica) e utilizou um filtro de passa-baixa (Butterworth) de primeira ordem a 20 Hz de modo a minimizar os efeitos de ruído.

3.3. Aquisição de Dados no Sistema Duplicador de Pulsos

Nas condições de funcionamento da bancada que simulam a fisiologia cardíaca de uma pessoa adulta, saudável e na condição de repouso, os sinais de pressão foram adquiridos a uma taxa de amostragem de 1KHz. A Figura 3 mostra o painel frontal (em LabVIEW) com as pressões ventricular (em branco) e aórtica (em vermelho) obtidas.

Os valores para as pressões sistólicas e diastólicas foram, respectivamente, para a aorta, 100 mmHg e 40 mmHg; para o ventrículo, 100 mmHg e -40 mmHg. Uma discussão destes resultados foi abordada na seção seguinte.

Figura 3. Painel frontal (LabVIEW) com as formas de onda obtidas para as pressões ventricular (em branco) e aórtica (em vermelho).

3.4. Discussão

Os resultados obtidos foram comparados com os dados da literatura [Guyton, 2006] e observou-se que as pressões ventriculares e aórticas deveriam atingir maiores níveis de pressão. Concretamente, os valores máximos para as pressões sistólicas deveriam ser 120 mmHg. Quanto às pressões diastólicas, deveriam ter os valores mínimos de 80 mmHg e 0 mmHg, respectivamente na aórta e no ventrículo.

A regulagem da altura de coluna d’água para o modelo do átrio, a dosagem do volume de ar e água nas complacências, assim como um ajuste nas resistências periférica e característica, dispostos ao longo do circuito hidráulico do duplicador de pulsos, permitirão atingir estes níveis de pressão. De qualquer modo, os resultados das ondas de pressão ventricular e aórtica obtidos mostraram boa repetibilidade. Após a validação da bancada, que também inclui a aquisição de dados de sinais de vazão volumétrica, espera-se realizar medições para a caracterização hidrodinâmica dos perfis de velocidade e de tensão na posição mitral, através de um sistema de anemometria laser (Laser Doppler Anemometer – LDA). Em seguida, os resultados obtidos nas simulações experimentais deverão ser comparados com a bibliografia fisiológica e patofisiológica humana para verificar os problemas que nelas ocorre, particularmente no que se refere à possível hemólise do sangue [Dasi et al., 2009 e Pinotti, 2000].

4. CONCLUSÕES

Como conclusão, embora os níveis máximos dos sinais de pressão ventricular e aórtica adquiridos foram menores que os esperados para os estados ventriculares, mostraram boa repetibilidade.

Através de ajustes em alguns dispositivos da bancada, espera-se poder replicar as formas de onda da literatura fisiológica humana. Alcançado este objetivo, escopo do próximo trabalho, o sistema duplicador de pulsos poderá ser validado.

AGRADECIMENTOS

À Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP) e ao Departamento de Engenharia Mecânica, pelo apoio de infra-estrutura.

REFERÊNCIAS

O. Bazan, J.P. Ortiz, Design conception and experimental setup for in vitro evaluation of mitral prosthetic valves, Rev. Bras. Cir. Cardiovasc., 2011, 26 (2), pp. 197-204.

Y.T. Chew, T.C. Chew, H.T. Low, W.L. Lim, “Techniques in the Determination of the Flow Effectiveness of Prosthetic Heart Valves, in: Cardiovascular Techniques: Biomechanical Systems – Techniques and Applications”, Vol. II., Ed. by Cornelius Leondes, CRC Press LLC, London, 2001, pp.70-117.

L.P. Dasi, H.A. Simont, P. Sucosky, A. Yoganathan, Fluid Mechanics of Artificial Heart Valves, Clin. Exp. Pharmacol. Physiol., 2009, Vol. 36, Nº 2, pp. 225-37.

M. Grigioni, C. Daniele, G. D’Avenio, U. Morbiducci, C. DelGaudio, M. Abbate, D. DiMeo, Innovative technologies for the assessment of cardovascular medical devices: state-of-the-art techniques for artificial heart valve testing, Expert. Rev. Med. Devices, 2004, 1(1), pp. 81-93.

A.C. Guyton, J.E. Hall, Textbook of Medical Physiology, 11th ed., Elsevier Inc., 2006, 1116 pp.

M. Pinotti, Is there correlation between the turbulent eddies size and mechanical hemolysis? J. Braz. Soc. Mech. Sci., 2000, 22(4), pp. 565-569.

Keithley, KPCI-3110 and KPCI-3116 PCI Bus Data Acquisition Boards User’s Manual, Keithley Instruments Inc., Document Number: 98180 – Rev. C, Cleveland, Ohio, U.S.A., 3rd Printing, January 2002.

S. Milo, E. Rambod, C. Gutfinger, M. Gharib, Mitral mechanical heart valves: in vitro studies of their closure, vortex and microbubble formation with possible medical implications, Eur. J. Cardiothorac. Surg., 2003, 24(3), pp. 364-70.

PULSE DUPLICATOR SYSTEM FOR IN VITRO EVALUATION OF PROSTHETIC HEART VALVES – PRELIMINARY

VALIDATION TESTS

Ovandir Bazan1, Jayme Pinto Ortiz1

1Mechanical Engineering Department – Polytechnic School, University of São Paulo, São Paulo (SP), Brazil

E-mail: ovandir.bazan@usp.br

Abstract. Simulations of pulsatile flow through prosthetic heart valves provide their hydrodynamic characterization of great scientific and clinical interest. After the development of a new pulse duplicator system at the Polytechnic School of the University of São Paulo for hydrodynamic testing of mitral and aortic prosthetic valves, an experimental validation is necessary in order to replicate the physiologic characteristics of the human cardiovascular system. This article describes some procedures and results obtained with the first data acquisition system adopted to start some preliminary validation tests of the hydrodynamic workbench, based on initial instrumentation and instantaneous data acquisition system. The instrumentation includes two pressure transducers, signal conditioning modules and a temperature control system. The data acquisition program was implemented in LabVIEW to perform two analog input signals, which were acquired to allow a comparison with the ventricular states, according to the physiology of a normal healthy person in the rest condition. Thus, a ventricular stroke volume of 70 mL, a heart rate of 70 bpm (beats per minute) and a cardiac output of 4.9 L/min were complied in the workbench. On the mitral and aortic positions were used, respectively, a ball and cage and a double-leaflet mechanical valves. In this work, focus on the preliminary validation tests, the test fluid did not mimic the blood properties; water at 37ºC was used as the fluid that passes through the prosthetic valves. In conclusion, although the signals of systolic and diastolic pressure acquired were lower than expected from the ventricular states, they shown a good repeatability. Through adjustments in some workbench devices, it is expected to replicate the waveforms provided in the human physiology literature. Achieved this objective, scope of the next work, the pulse duplicator may be validated.

Key-words: Prosthetic heart valves, Hydrodynamic testing, Pulse duplicator system, Preliminary validation tests.