نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی، گروه بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز

2 دانشیار، گروه بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز

3 استاد، گروه بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز

10.22041/ijbme.2018.90501.1382

چکیده

سیستم‌های گردش خون مصنوعی، نقش غیر قابل انکاری در ارزیابی و توسعه‌ی دستگاه‌های کمک‌بطنی، دریچه‌های قلبی، قلب‌‌های مصنوعی، ریه‌های مصنوعی،‌ پیوند عروق و پمپ‌های بالنی داخل آئورتی دارند. هم‌چنین، در مهندسی بافت دریچه‌های قلبی و سایر مطالعات مرتبط با سیستم قلب و عروق نیز می‌توان از سیستم‌های گردش خون مصنوعی بهره برد. یکی از ارکان اصلی این سیستم‌ها، تولید جریان پالسی، مشابه با پالس جریان خون خروجی قلب بوده که توسط پمپ پالسی تولید می‌شود. در این پژوهش، یک سیستم گردش خون مصنوعی با قابلیت شبیه‌سازی فشار و جریان فیزیولوژیکی بدن انسان  در حالت سالم و بیمار، طراحی و ساخته شده است. در این سیستم، تولید پالس فشار و جریان، بر عهده‌ی یک پمپ پالسی با قابلیت برنامه‌نویسی و تغییر الگوی حرکتی برای شبیه‌سازی بطن چپ می‌باشد که بعد از طراحی در نرم‌افزار سالیدوورک، جهت استفاده در سیستم گردش خون مصنوعی، ساخته شد. برای بررسی عمل‌کرد سیستم، آزمایش‌های متعددی با مقادیر کمپلیانس شریانی و مقاومت محیطی متفاوت و تغییر الگوی حرکتی موتور پله‌ای، انجام شده است. نتایج حاصل از این آزمایش‌ها نشان می‌دهند که با تغییر الگوی حرکتی موتور پله‌ای از سرعت ثابت به سرعت متغییر و کنترل آن در یک سیکل (360 درجه) و هم‌چنین با تغییر در مقادیر کمپلیانس شریانی و مقاومت محیطی، می‌توان شکل موج‌های فشار و جریان فیزیولوژیک را تولید کرد. نتایج به دست آمده، عمل‌کرد قابل قبول این سیستم را در شبیه‌سازی شرایط فیزیولوژیکی تایید می‌کنند. علاوه بر این، سیستم طراحی شده، قابلیت نرم‌افزاری برای تولید شکل پالس‌های جریان متفاوت را دارا می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design and Construction of Mock Blood Circulatory System with Capability to Simulate Physiological Pulsatile Flow and Pressure in Aorta

نویسندگان [English]

  • Behrouz Jafarzadeh 1
  • Hanieh Niroomand-Oscuii 2
  • Farzan Ghalichi 3

1 M.Sc. Student, Biomechanic Department, Biomedical Engineering Faculty, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

2 Associate Professor, Biomechanic Department, Biomedical Engineering Faculty, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

3 Professor, Biomechanic Department, Biomedical Engineering Faculty, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

چکیده [English]

Mock circulation systems are necessary for in vitro experiments and development of the ventricular assist devices, heart valves, total artificial hearts, artificial lungs, vascular grafts and intra-aortic balloon pumps. Tissue engineering of heart valves and other preliminary studies on the cardiovascular system can also achieve with mock circulation systems. One of the major parts of these systems is generating of pulsatile flows like heart. In this study a mock circulation system with ability of physiological pressure and flow simulation in both healthy and diseases heart has been designed and manufactured. This setup can produce pressure and flow pulse by using a positive displacement pump with programing of movement pattern of stepper motor. This pump was manufactured after designing by Solid-works software for using in the mock circulation system. For testing this setup, several experiments with different values of peripheral resistance and arterial compliance and changing the pattern of the stepper motor have been performed. The results show modifying the pattern of the stepper motor from uniform speed to variable speed in one cycle (360 degree), as well as changing in arterial compliance and peripheral resistance, can produce waveform of physiological pressure and flow. The results confirm the reliable performance of this system in simulating physiological conditions. The designed system has the software capability to generate different waveforms.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Mock circulation system
  • Pulsatile pump
  • Peripheral resistance
  • Arterial compliance

[1]     Shargie EB, Lindtjørn B. Determinants of treatment adherence among smear-positive pulmonary tuberculosis patients in Southern Ethiopia. PLoS medicine. 2007;4:e37.

[2]     Gregory SD. Simulation and development of a mock circulation loop with variable compliance: Queensland University of Technology; 2009.

[3]     Timms D, Hayne M, McNeil K, Galbraith A. A complete mock circulation loop for the evaluation of left, right, and biventricular assist devices. Artificial organs. 2005;29:564-72.

[4]     Verdonck PR, Dumont K, Segers P, Vandenberghe S, Van Nooten G. Mock Loop Testing of On‐X Prosthetic Mitral Valve with Doppler Echocardiography. Artificial organs. 2002;26:872-8.

[5]     Howell MC. Adapting a Mock Circulatory Loop for Use in the Study of Tissue Engineered Heart Valves: The Pennsylvania State University; 2013.

[6]     Nishida M, Nakayama K, Sakota D, Kosaka R, Maruyama O, Kawaguchi Y, Kuwana K, Yamane T. Effect of Impeller Geometry on Lift‐Off Characteristics and Rotational Attitude in a Monopivot Centrifugal Blood Pump. Artificial organs. 2016;40:89-101.

[7]     Fukamachi K, Horvath DJ, Massiello AL, Fumoto H, Horai T, Rao S, Golding LAR. An innovative, sensorless, pulsatile, continuous-flow total artificial heart: device design and initial in vitro study. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 2010;29:13-20.

[8]     Shiose A, Nowak K, Horvath DJ, Massiello AL, Golding LA, Fukamachi K. Speed modulation of the continuous-flow total artificial heart to simulate a physiologic arterial pressure waveform. ASAIO journal (American Society for Artificial Internal Organs: 1992). 2010;56:403.

[9]     Shehab S, Allida SM, Newton P, Davidson P, MacDonalds P, Jansz PC, Hayward CS . Right Ventricular Failure Post LVAD Implantation Corrected with Biventricular Support: An In-Vitro Model. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 2016;35:S318-S9.

[10] Rungsirikunnan C, Chusri Y, Naiyanetr P. Control system design for external continuous flow centrifugal VAD.  Biomedical Engineering International Conference (BMEiCON), 2014 7th: IEEE; 2014. p. 1-5.

[11] Baloa L, Boston J, Antaki J. Elastance-based control of a mock circulatory system. Annals of biomedical engineering. 2001;29:244-51.

[12] Rosenberg G, Phillips WM, Landis DL, Pierce W. Design and evaluation of the Pennsylvania State University mock circulatory system. ASAIO J. 1981;4:41-9.

[13] Athanassiou L, Hancock S, Mahajan R. Doppler estimation of zero flow pressure during changes in downstream pressure in a bench model of a circulation using pulsatile flow. Anaesthesia. 2005;60:133-8.

[14] Biglino G, Giardini A, Baker C, Figliola RS, Hsia T-Y, Taylor AM, Schievano S, . In vitro study of the Norwood palliation: a patient-specific mock circulatory system. ASAIO journal. 2012;58:25-31.

[15] Pai CN, Shinshi T. Fault-tolerant strategies for an implantable centrifugal blood pump using a radially controlled magnetic bearing. Medical engineering & physics. 2011;33:906-15.

[16] Litwak KN, Koenig SC, Cheng RC, Giridharan GA, Gillars KJ, Pantalos GM. Ascending aorta outflow graft location and pulsatile ventricular assist provide optimal hemodynamic support in an adult mock circulation. Artificial organs. 2005;29:629-35.

[17] Tuzun E, Rutten M, Dat M, Van De Vosse F, Kadipasaoglu C, De Mol B. Continuous-flow cardiac assistance: effects on aortic valve function in a mock loop. Journal of Surgical Research. 2011;171:443-7.

[18] Suárez-Bagnasco D, Balay G, Cymberknop L, Armentano R, Negreira C. In-vitro hemodynamic measurements and in-silico simulation of a physical model of arterial bifurcation.  Journal of Physics: Conference Series: IOP Publishing; 2013. p. 012005.

[19] Drake R, Vogl AW, Mitchell AW. Gray's Anatomy for Students E-Book: Elsevier Health Sciences; 2009.

[20] Hall JE. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology E-Book: Elsevier Health Sciences; 2015.

[21] Bronzino JD. Biomedical engineering handbook: CRC press; 1999.

[22] Seeley RR, Tate P, Stephens TD. Anatomy & Physiology: McGraw-Hill; 2000.

[23] Guyton AC. Textbook of medical physiology. Academic Medicine. 1961;36:556.

[24] Thatte SM. In Vitro Flow Visualization Study of the Interface between Outflow Graft of Ventricular Assist Device and Aorta. 2006.