Simulador Físico do Sistema Cardiovascular baseado em LabVIEW

Jeison Willian G. da Fonseca, 1Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA, 2Universidade São Judas Tadeu – USJT e 3Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia – IDPC

"Foi construído um Instrumento Virtual (vi) em LabVIEW®, para fazer a leitura dos transdutores de pressão e fluxo bem como do sensor Hall capaz de detectar variação do deslocamento do diafragma da câmara de bombeamento."

- Jeison Willian G. da Fonseca, 1Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA, 2Universidade São Judas Tadeu – USJT e 3Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia – IDPC

O desafio:

Obter e analisar o diagrama Pressão x Volume (PV) da câmara de bombeamento de um simulador do sistema cardiovascular de modo a fazer a comparação deste com o comportamento do ventrículo esquerdo do coração natural.

A solução:

O diagrama PV foi obtido via LabVIEW®, pela aquisição dos dados de pressão e do deslocamento de um diafragma contido na câmara de bombeamento de modo a se inferir a variação do volume interno desta câmara.

Autor(es):

Jeison Willian G. da Fonseca - 1Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA, 2Universidade São Judas Tadeu – USJT e 3Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia – IDPC
Julio C. Lucchi - 1Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA, 2Universidade São Judas Tadeu – USJT e 3Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia – IDPC

 

Resumo/Introdução

O uso de simuladores que possibilitem o estudo do aparelho cardiovascular é de grande importância para o desenvolvimento de Dispositivos de Assistência Ventricular (DAV), porque além de possibilitar o estudo de variáveis que não poderiam ser avaliadas em um experimento “in vivo”, diminuem significativamente a quantidade destas experimentações.

 

A proposta deste trabalho é implementar um sistema físico constituído por sensores, motores DC, válvulas proporcionais e atuadores, capaz de modelar o funcionamento do sistema cardiovascular e que possa ser ajustado por uma interface com usuário (LabVIEW®). Em um primeiro momento, foco do trabalho apresentado, a proposta é obter a característica de operação do propulsor que é responsável pelo bombeamento de fluido. Da literatura é possível extrair a informação do uso da curva Pressão X Volume intraventricular como um dos índices de desempenho do músculo cardíaco. Assim, de modo a investigar o desempenho da bomba propulsora, o objetivo deste trabalho é obter a curva Pressão X Volume intraventricular do sistema de bombeamento do simulador e compará-la ao apresentado em literatura para um coração natural.

 

Fundamentação Teórica

O coração humano é constituído por quatro câmaras de bombeamento: dois átrios e dois ventrículos, sendo o átrio direito e o ventrículo direito responsáveis pelo bombeamento de sangue para os pulmões, onde ocorre a oxigenação, e o átrio esquerdo e o ventrículo esquerdo responsáveis pelo bombeamento do sangue para o sistema periférico. É fato que geralmente as doenças deste órgão estão relacionadas a falências ou comprometimentos do ventrículo esquerdo, posto que este faz esforço contra pressões mais elevadas se comparado ao ventrículo direito (Braunwald, 2003).

 

Atualmente, existem diversos grupos no mundo estudando dispositivos de assistência circulatória – Dispositivos eletromecânicos de bombeamento de sangue que, atuando juntamente com um coração “doente” o auxiliam. Para que o dispositivo possa ser validado, o mesmo precisa ser submetido a ensaios “in vitro”, ou de bancada e “in vivo”, em animais. Contudo, de modo a se fazer um ensaio “in vitro” com qualidade, e mesmo para diminuir o número de experimentações em animais, é utilizado um sistema de simulação do aparelho cardiovascular que permite se estudar a interação deste com o dispositivo de assistência em avaliação (Lucchi, 1999).

 

Segundo Despopoulos (2003), um modo ótimo para se avaliar o desempenho da bomba cardíaca é o uso do diagrama Pressão-Volume, Figura 1, o qual relaciona a pressão interna da câmara ventricular esquerda e o volume de sangue contido nesta câmara.

 

A partir da posição da curva no diagrama PV, é possível detectar a existência de anomalias no sistema de bombeamento cardíaco, que podem ser: de pré-carga (pressão diastólica final); de pós-carga (pressão que o ventrículo deve superar para bombear o sangue); ou contratilidade do miocárdio.

 

O simulador do sistema cardiovascular aqui descrito é composto por um motor BLDC (Brushless DC) – que atua como bomba cardíaca ligado a uma câmara de bombeamento (que simula o ventrículo esquerdo) com duas válvulas mecânicas de disco e um diafragma. Conectado à montante desta câmara há um reservatório cujo objetivo é coletar o fluido e ligado neste uma resistência elétrica controlada por termostato manual, possibilita o ajuste da temperatura do fluido - e um transdutor de temperatura - que informa a temperatura atual para o software LabVIEW®. Ligado à jusante da câmara de bombeamento, por meio de conexões de tubos de silicone está localizada uma câmara de complacência que é ajustada manualmente com o uso de uma “pêra”. Finalmente, tubos de silicone conectam a câmara de complacência ao reservatório, completando o laço, Figura 2.

 

Para o levantamento e posterior avaliação da curva do diagrama PV, a idéia inicial foi obter a curva da pressão interna da câmara em função do tempo e a curva do volume interno em função do tempo. Para medição da pressão instantânea, foi introduzido um transdutor tipo strain-gage na câmara de bombeamento, entretanto o volume instantâneo da câmara foi obtido por inferência baseado em medições estáticas do posicionamento de um diafragma ligado a uma haste com um imã na extremidade. Um sensor Hall foi utilizado para detectar o deslocamento da haste.

 

Desenvolvimento do Software:

Foi construído um Instrumento Virtual (vi) em LabVIEW®, para fazer a leitura dos transdutores de pressão e fluxo bem como do sensor Hall capaz de detectar variação do deslocamento do diafragma da câmara de bombeamento. O painel da VI é apresentado na Figura 3, onde quatro mostradores gráficos apresentam: a curva da pressão intraventricular; o gráfico do fluxo na circulação sistêmica; a curva da variação do volume da câmara intraventricular; e o diagrama Pressão-Volume. Além destas curvas o painel apresenta também indicadores do volume intraventricular instantâneo, do fluxo médio, da pressão média e da freqüência da bomba.

 

Os dados foram adquiridos, utilizando quatro canais de entrada analógica de uma placa de aquisição NI-PCI6036E, a uma taxa de 5 kHz com 2500 amostras a serem lidas.

 

O software conta ainda com uma Express VI para geração e gravação de planilha de dados para serem lidos no Excel®. A figura 4 apresenta o resultado obtido em Excel de um ensaio para obtenção do diagrama PV.

 

Bibliografia:

BRAUNWALD, E., Zipes, D., Libby, P. Tratado de Medicina Cardiovascular. – 6ª ed. São Paulo: Roca, 2003, 959p.
DESPOPOULOS, A., Silbernagl, S. Color Atlas of Phisiology .- 5ª ed. New York: Thieme, 2003, 449p.
LUCCHI, J. C. Simulação Elétrica Aplicada à Investigação Hemodinâmica da Assistência Ventricular. 1999. 154p. Tese (Doutorado em Engenharia Eletrônica e Computação). Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA, São José dos Campos.

 

Biografia do Autor:

Mestre em Ciências pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica em 2003, bacharel em Engenharia Elétrica pela Universidade São Judas Tadeu em 2000. Atualmente desenvolve Tese de Doutorado em Engenharia Eletrônica e Computação pelo ITA em parceria com o Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia, recebendo apoio pelo projeto temático FAPESP.

Diagrama Pressão-Volume
Diagrama do Simulador do Sistema Cardiovascular
Painel da VI construída para aquisição e tratamento de sinais do simulador
Diagrama PV obtido em Excel®