Development of a Laboratory for Cardiovascular Fluid Dynamics Studies

This PhD thesis described the realization and development of a new experimental laboratory for cardiovascular studies. Three years later, the Healing Research Laboratory (HeR Lab) is an approved reality, located within the ICEA Dept. of the University of Padua. The present paper explores the different aspects that have been involved on its development, and the principal research fields that have been touched along the doctorate program. It is subdivided in four parts: a first overview of the aortic district linked to the insertion of prosthetic devices, from physiological and engineering points of views. After this, the experimental activities are widely discussed. The experimental research was focused on the design, realization, trial-tests and first optimization of a mechanical-hydraulic closed circuit (called pulse duplicator), for the study of fluid dynamics in the systemic circulation after the implantation of prosthetic devices. Innovative feature of the workbench is the presence of a compliant silicone phantom replica of a healthy aorta, that permits investigations of mechanics and flow dynamics characteristics of the district via an experimental approach. A third section is depicted to external experimental projects, developed within the division of Cardiac Surgery, dept. of cardiac, thoracic and vascular sciences, University of Padua Medical School, to investigate the haemodynamic performances of a total artificial heart (CardioWest TAH-t); and within the UCL Cardiovascular Engineering Laboratory (University College London, UK), to perform in vitro assessment of prosthetic cardiovascular devices performances (biological aortic valves). The last part focuses on a numerical study based on the design of a 2D mechanical model for a red blood cell, and the computation of deformation-damage effects on the shield, due to the shear stresses induced downstream of mechanical aortic valves. The possibility to made up an experimental laboratory, and the development of a new-born research group, give the chance to obtain strong expertise along these three years in the R&D field, giving the possibility to actually touch all the different faces of the research, from the funding recruitment to the physical workbench realization or prototype testing.

Nella presente tesi di Dottorato è descritta la realizzazione e lo sviluppo di un nuovo laboratorio sperimentale per studi di fluidodinamica cardiovascolare. Il laboratorio, denominato Healing Research Laboratory (HeR Lab), a tre anni dalla sua creazione, è una realtà di Dipartimento consolidata; presente nel dip. ICEA dell’Università degli Studi di Padova. Nel proseguo dell’elaborato vengono indagati gli aspetti che hanno partecipato allo sviluppo del laboratorio, ed i principali campi di ricerca che sono stati toccati lungo il percorso di dottorato. La tesi è strutturata in quattro parti principali: la prima fornisce una panoramica del distretto aortico, in relazione all’inserimento di device protesici, sia dal punto di vista fisiologico che ingegneristico. La seconda parte è incentrata nella descrizione approfondita della ricerca sperimentale. Si focalizza nella progettazione, realizzazione e messa punto di un circuito meccanico-idraulico (chiamato pulse duplicator), per lo studio della fluido dinamica nella circolazione sistemica, a seguito dell’impianto di dispositivi protesici. Parte innovativa è costituta dalla presenza di un prototipo siliconico compliante di radice aortica ottenuta da CT-scan di paziente, per lo studio delle caratteristiche meccaniche del vaso e dei campi fluidodinamici locali. La terza sezione è costituita da progetti sperimentali sviluppati in strutture esterne all’HeR Lab. Il primo presso la Cardiochirurgia, dipartimento di Scienze Cardiache, Toraciche e Vascolari della Università degli Studi di Padova, allo scopo di investigare le performance emodinamiche di un cuore artificiale totale (CardioWest TAH-t); la seconda come membro dell’UCL Cardiovascular Engineering Laboratory (University College London), con l’obiettivo di indagare le performance di valvole aortiche biologiche per via sperimentale. La quarta sezione descrive uno studio numerico basato sul design di un modello meccanico 2D del globulo rosso, e sul calcolo di deformazioni e danni subiti dalla membrana, dovuti agli sforzi tangenziali indotti dal flusso effluente da valvole aortiche meccaniche. Lo sviluppo del laboratorio e del nuovo gruppo di ricerca cardiovascolare ha permesso di incamerare ottime competenze nell’ambito della ricerca e progettazione, dando la possibilità di toccare diversi aspetti dello sviluppo, dalla ricerca fondi alla realizzazione fisica di prototipi o banchi sperimentali.