MODELO COMPUTACIONAL DO DISPOSITIVO DE ASSISTÊNCIA CIRCULATÓRIA PEDIÁTRICA TEMPORÁRIO

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1 MODELO COMPUTACIONAL DO DISPOSITIVO DE ASSISTÊNCIA CIRCULATÓRIA PEDIÁTRICA TEMPORÁRIO Tarcísio Leão¹, Gustavo Andrade², Edir Leal², Marcio Acácio¹, Lucas Miguel¹, Erick Neves¹, Lucas Bortone¹, Evandro Drigo², Eduardo Bock³, Aron Andrade² 1 Lab Automação para a Vida (LAV), Instituto Federal de São Paulo, São Paulo (SP), Brasil 2 Centro de Engenharia em Assistência Circulatória (CEAC), Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia, São Paulo (SP), Brasil 1 Lab de Bioengenharia (BioEng), Instituto Federal de São Paulo, São Paulo (SP), Brasil leao@ifsp.edu.br Resumo. Este trabalho apresenta o modelo computacional do Dispositivo de Assistência Ventricular Pediátrico temporário (DAVped), especialmente a bomba de sangue e seu atuador. O DAVped está sendo desenvolvido em nossos laboratórios como suporte extracorpóreo à vida, seja como ponte para recuperação cardíaca ou como ponte para transplante. O DAVped é composto por: uma bomba de sangue centrífuga, um atuador eletromecânico BLDC (motor sem escovas, da sigla em inglês) e um módulo de potência e controle. A aplicação deste tipo de dispositivo apresenta requisitos de eficiência no suporte; adaptabilidade, enquanto a criança ou neonato se desenvolve; e utilização do equipamento no leito de maneira simplificada. O desenvolvimento e otimização de sistemas de controle e acionamento do DAVped requer uma plataforma virtual para simulações confiáveis de novas técnicas. A metodologia para a construção do modelo é composta de 3 etapas: ensaios de bancada, implementação em ambiente computacional e validação do modelo. O programa computacional Matlab /Simulink é utilizado para a modelagem do sistema DAVped. O modelo do sistema é baseado em um sistema de múltiplas entradas e saídas, de forma configurável, de modo que possa se adaptar a outros tipos de bombas de mesma características. Os ensaios de bancada foram realizados nos laboratórios do Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia e do Instituto Federal de São Paulo. As variáveis de pressão, de entrada e saída, fluxo, rotação do atuador, corrente elétrica foram monitoradas nos ensaios. Os resultados das simulações apresentaram características compatíveis com o DAVped. A diferença entre os valores simulados e experimentais foram menores que 10% para o fluxo. O resultado é satisfatório para a utilização do modelo em simulações de novas técnicas de controle. Futuros trabalhos poderão aumentar a complexidade do modelo para minimizar as diferenças e aumentar as aplicações do modelo. Palavras-chave: Dispositivo de Assistência Ventricular, Pediátrico, Controle, Simulação, Modelo Computacional 1. INTRODUÇÃO Atualmente para tratamento de insuficiência cardíaca terminal, o transplante cardíaco é considerado o melhor tratamento a ser realizado, porém considerando a comunidade pediátrica, existe uma escassez de doadores para esse tipo de tratamento, pois o mesmo leva em consideração tipo sanguíneo, idade, peso do receptor, distribuição geográfica, entre outros fatores (CANÊO et al., 2014). Com a dificuldade do diagnóstico da insuficiência cardíaca em uma criança, usualmente os casos que são encontrados são de estágios avançados, dessa forma muitas vezes medidas clínicas isoladas não são suficientes para o tratamento e a taxa de mortalidade supera os 90% em 30 dias na espera de um órgão compatível para transplante. A Oxigenação ExtraCorpórea por Membrana (ECMO, do inglês extracorporeal membrane oxygenation) tem sido utilizda com alternativa para manutenção das condições hemodinâmicas dos pacientes pediátricos, porém seu uso por mais de 15 dias pode prejudicar o trasnplante cardíaco. Nesse contexto, a utilização de bombas centrífugas, como Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV), têm 82

2 se mostrado uma alternativa à ECMO para um suporte hemodinâmico mais prolongado (CANÊO et al., 2014). Baseando-se em modelos/projetos existentes no Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia (IDPC), uma bomba centrífuga pediátrica, como Dispositivo de Assistência Ventricular, (DAVped) está em desenvolvimento em nossos laboratórios. O projeto tem como principal vantagem o princípio de funcionamento do sistema de transmissão, a fim de se obter maior rendimento e melhor performance, além de mitigar o efeito do desgaste em componentes dos mancais, que foram encontrados em DAV existentes. Os parâmetros hidrodinâmicos de funcionamento buscados no DAV são de 3L/min de vazão e diferencial de pressão de aproximadamente 140 mmhg (LEAL et al., 2017). A Figura 1 apresenta o DAVped. A B C Legenda: A. Modelo 3D em corte do DAVped; B. Detalhes do rotor da bomba centrífuga; C. DAVped construído. Figura 1. Dispositivo de Assistência Ventricular Pediátrico (DAVped). O DAVped é composto por: uma bomba de sangue centrífuga, um atuador eletromecânico BLDC (motor sem escovas, da sigla em inglês) e um módulo de potência e controle. A aplicação deste tipo de dispositivo apresenta requisitos de eficiência no suporte; adaptabilidade, enquanto a criança ou neonato se desenvolve; e utilização do equipamento no leito de maneira simplificada (HAINES et al., 2009) (GRAY et al., 2015). O desenvolvimento e otimização de sistemas de controle e acionamento do DAVped requer uma plataforma virtual para simulações confiáveis de novas técnicas (FERRARI et al., 2017) (KITAO et al., 2011). O principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento do modelo computacional do Dispositivo de Assistência Ventricular Pediátrico temporário (DAVped), especialmente a bomba de sangue e seu atuador. 2. METODOLOGIA 83

3 A metodologia para a construção do modelo é composta de 3 etapas: ensaios de bancada, implementação em ambiente computacional e validação do modelo. O programa computacional Matlab /Simulink é utilizado para a modelagem do sistema DAVped. O modelo do sistema é baseado em um sistema de múltiplas entradas e saídas, de forma configurável, de modo que possa se adaptar a outros tipos de bombas de mesma características. A Figura 2 apresenta o diagrama de blocos do modelo computacional. Figura 2. Diagrama de Blocos do Modelo Computacional do DAVped. Os ensaios de bancada foram realizados nos laboratórios do Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia e do Instituto Federal de São Paulo. As variáveis de pressão, de entrada e saída, fluxo, rotação do atuador, corrente elétrica foram monitoradas nos ensaios, Fig. 3. Figura 3. Ensaio hidrodinâmico do DAVped. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 84

4 A Figura 4 apresenta os resultados das simulações para valores de diferencial de pressão ( P em mmhg) e fluxo (em L/min). Figura 4. Desempenho hidrodinâmico Experimental e Simulado. Os resultados simulados são compatíveis com os dados obtidos no ensaio em bancada. A variação observada não compromete a utilização do modelo para estudos de sistemas de controle, pois sua variação é menor que 10%. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO A diferença entre os valores simulados e experimentais foram menores que 10% para o fluxo. O resultado é satisfatório para a utilização do modelo em simulações de novas técnicas de controle. Futuros trabalhos poderão aumentar a complexidade do modelo para minimizar as diferenças e aumentar as aplicações do modelo. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), ao Instituto Federal de São Paulo (IFSP) e ao Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia (IDPC) pelo apoio e suporte financeiro. REFERÊNCIAS CANÊO, L. et al. Emprego do Suporte Circulatório de Curta Duração como Ponte para. Arq Bras Cardiol., FERRARI, G. et al. Control of a Pediatric Pulsatile Ventricular Assist Device: A Hybrid Cardiovascular Model Study. Artif Organs., GRAY, B. et al. Extracorporeal Life Support: Experience with 2,000 Patients. ASAIO Journal,

5 HAINES, N. et al. Extracorporeal Life Support Registry Report 2008: Neonatal. ASAIO Journal, KITAO, T. et al. In vivo evaluation of the "TinyPump" as a pediatric left ventricular assist device. Artif Organs, LEAL, E. et al. Dispositivo de Assistência Ventricular Centrífuga por Acionamento Mágnético Radial para Uso Pediátrico. Anais do 5 Simpósio de Dispositivo de Assistência Ventricular e Coração Artificial, São Paulo, COMPUTATIONAL MODEL OF TEMPORARY PEDIATRIC CIRCULATORY ASSIST DEVICE Tarcísio Leão¹, Gustavo Andrade², Edir Leal², Marcio Acácio¹, Lucas Miguel¹, Erick Neves¹, Lucas Bortone¹, Evandro Drigo², Eduardo Bock³, Aron Andrade² 1 Lab Automação para a Vida (LAV), Instituto Federal de São Paulo, São Paulo (SP), Brasil 2 Centro de Engenharia em Assistência Circulatória (CEAC), Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia, São Paulo (SP), Brasil 1 Lab de Bioengenharia (BioEng), Instituto Federal de São Paulo, São Paulo (SP), Brasil leao@ifsp.edu.br Abstract. This article presents the computational model of the Temporary Pediatric Ventricular Assist Device (DAVped), especially the blood pump and its actuator. DAVped is being developed in our laboratories as extracorporeal support for life as a bridge to cardiac recovery or as a bridge to transplantation. The DAVped consists of: a centrifugal blood pump, a BLDC electromechanical actuator and a power and control module. Application of this device presents requirements of efficiency in the support; Adaptability as the child or newborn develops; and use of equipment in bed in a simplified way. The development and optimization of DAVped control and drive systems requires a virtual platform for reliable simulations of new techniques. The methodology for the construction of the model is composed by 3 steps: bench tests, implementation in computational environment and validation of the model. Matlab / Simulink software is used to model the DAVped system. The system model is based on a system of multiple inputs and outputs, configurable, so that it can adapt to other types of pumps with the same characteristics. The bench tests were performed in the laboratories of the Dante Pazzanese Institute of Cardiology and the Federal Institute of São Paulo. The variables of pressure, input and output, flow, actuator rotation, electrical current were monitored in the tests. The results of the simulations presented characteristics compatible with VADped. The difference between the simulated and experimental values was less than 10% for flow. The result is satisfactory for the use of the model in simulations of new control techniques. Future work can increase the complexity of the model to minimize differences and increase model applications. Keywords: First keyword, Second keyword, Third keyword (minimum of three, maximum of five keywords) 86