Gli studenti progettano una pompa cardiaca salvavita a basso costo

“Abbiamo provato altri software, ma era più difficile creare modelli e sistemi,” afferma Mert Yiğit, assistente di ricerca e neolaureato in ingegneria biomedica, specializzato in progettazione di turbine e fluidodinamica computazionale. “MATLAB è facile da imparare e ti permette di creare qualsiasi cosa ti venga in mente.”

Il sistema di supporto circolatorio meccanico del laboratorio comprende una pompa cardiaca impiantabile alimentata a batterie, un controller intelligente e un’unità portatile wireless per il monitoraggio dei parametri vitali del paziente. Gli studenti hanno realizzato quasi tutto l'hardware per i loro prototipi in loco.

Durante la pianificazione del percorso verso le sperimentazioni cliniche, il giovane team della YTU ha ideato un approccio per ridurre al minimo i test sugli animali per il loro LVAD e altri dispositivi cardiaci. Hanno realizzato un circuito simulato ibrido pneumo-idraulico in MATLAB, che permette test rigorosi in condizioni cardiovascolari realistiche. Gli studenti hanno ottimizzato e accelerato i calcoli utilizzando GPU Coder™ e una workstation NVIDIA^® . 

“Gli studenti sono il motore di tutto questo progetto,” afferma Kadıpaşaoğlu. La loro ricerca è stata pubblicata sull'International Journal of Robust and Nonlinear Control.

Esperienza pratica

“Venendo dalla Turchia, abbiamo difficoltà a finanziare questi dispositivi,” osserva Kadıpaşaoğlu. “E i chirurghi turchi non hanno avuto un periodo di ricerca con gli ingegneri dei dispositivi, quindi sono inesperti. Dopo un addestramento di uno o due giorni, impiantavano le pompe nei pazienti, a volte con risultati disastrosi.”

Ha riportato le sue conoscenze ed esperienze in patria per insegnare agli intraprendenti studenti della YTU lo sviluppo di LVAD, promuovere legami accademici con il settore medico e gettare le basi per la produzione di pompe cardiache a basso costo in Turchia. Kadıpaşaoğlu è un mentore per gli studenti che intraprendono percorsi di carriera in ingegneria biomedica, elettrica e di controllo.

“Sto cercando di aiutarli a ottenere formazione negli ospedali e nelle sale operatorie, così da poter fare esperienza diretta con il sangue, toraci aperti e cuori battenti,” afferma.

Kadıpaşaoğlu incoraggia la ricerca autonoma. Piccoli ritratti di scienziati influenti, come Sir Isaac Newton e Joseph-Louis Lagrange, decorano le pareti del laboratorio per ispirazione. Ci sono circa 20 studenti nel gruppo, tra cui due laureati summa cum laude: Derya Sahin e Ahmed Alhajyounis. Gli studenti ideano progetti, scrivono richieste di finanziamento e co-firmano articoli scientifici.

Yiğit ha mostrato l’ultimo prototipo di LVAD del team, una turbina cilindrica rigida lunga 7,2 centimetri (2,8 pollici) realizzata dal gruppo in una lega di titanio biocompatibile.

Ogni sezione mobile del motore è realizzata con un composito magnetico morbido e un modello di plastica che si adatta alla parte superiore, sostenendo dei mini magneti. Hanno utilizzato il composito magnetico anche per il nucleo stazionario dentato, avvolgendolo attorno a un sottile filo di rame per produrre un campo magnetico che interagisce con la parte mobile.

All'inizio, gli studenti hanno aspettato un anno intero affinché un gruppo esterno realizzasse un singolo motore. “Quando il nostro team ha deciso di costruire i motori, ci siamo riusciti in un mese,” spiega Yiğit.

Test realistici sui dispositivi cardiovascolari

Il laboratorio ha utilizzato Simulink e MATLAB per costruire il complesso modello cardiovascolare di questo sistema ingegnerizzato, in cui diversi sistemi funzionano in serie l'uno con l'altro. La regolazione di un singolo parametro in un sistema influenza in tandem anche gli altri parametri, ha sottolineato Kadıpaşaoğlu.

“Simulink rende facile costruire un simulatore del sistema cardiovascolare, ma la parte più difficile è adattarlo agli obiettivi specifici del paziente,” afferma.

Yiğit ha presentato in laboratorio l'ultima configurazione fisica di un circuito ibrido simulato, con il suo prototipo LVAD più recente visibile all'interno di un'elegante camera piena d'acqua collegata all'impianto idraulico. Ha spiegato che creare dei controller per i flussi e le pressioni delle pompe all'interno di questi componenti fisici è stato estremamente difficile, poiché i sistemi pneumatici sono non lineari.

“La pressione si accumula all'interno, quindi se si immettono dati errati, l'acqua potrebbe schizzare dappertutto”, avverte Yiğit.

Per determinare i coefficienti di controllo, hanno creato un digital twin del loro circuito simulato ibrido in MATLAB. Il gruppo ha utilizzato il Q-learning, un approccio basato sul reinforcement, insieme a Statistics and Machine Learning Toolbox™ per individuare i coefficienti di controllo del loro sistema cardiovascolare. I membri del PCL hanno sviluppato un algoritmo di Machine Learning che regola automaticamente i controller. Ora, se qualcuno immette un input sbagliato, il liquido non esplode.

Il gruppo ha dovuto affrontare altre sfide. I dati della modellazione cardiovascolare assomigliano a una ciotola di spaghetti. L’imaging del flusso, chiamato velocimetria delle particelle (Particle Image Velocimetry, PIV), permette ai ricercatori di visualizzare i modelli e le velocità del flusso sanguigno. Il team si è occupato dell’elaborazione e della ricostruzione delle immagini in MATLAB, riscontrando però che la simulazione della dinamica dei fluidi, del flusso del sangue e del sistema cardiovascolare richiedeva un’elevata potenza di calcolo.

“Una singola simulazione richiedeva un minuto per elaborare tutte le informazioni. “Utilizzando GPU Coder con Jetson, ora ci vogliono solo 10 secondi”, afferma Yiğit.

Grazie a questa configurazione, gli studenti possono facilmente testare il loro modello cardiovascolare in condizioni variabili, apportando frequenti modifiche ai parametri fisici. Inoltre, hanno utilizzato MATLAB Coder™ per convertire i loro algoritmi MATLAB in codice C e C++ per la distribuzione su un sistema di elaborazione in tempo reale dSPACE^®, che consente loro di utilizzare il circuito fittizio ibrido. Il team ha validato con successo il sistema a doppio motore del prototipo della pompa cardiaca nel circuito mock ibrido, simulando le condizioni fisiologiche del paziente con un solo motore funzionante.

I membri del PCL hanno avviato un nuovo progetto che sfrutta il Machine Learning per determinare la portata ottimale del flusso sanguigno per il prototipo LVAD. E l'intero team sta lavorando per ridurre del 20% le dimensioni della pompa cardiaca, migliorandone al contempo l'efficienza. Puntano anche a miniaturizzare il circuito mock ibrido e a portarlo sul mercato.

Il gruppo prevede di sostituire in futuro il sistema di elaborazione in tempo reale dSPACE con la scheda Jetson TX2 per aumentare notevolmente le prestazioni della simulazione in tempo reale. L'utilizzo di GPU Coder nella fase di simulazione contribuirà a semplificare la migrazione.

“Ci chiediamo continuamente se una tecnologia sia qualcosa da acquistare o qualcosa che potremmo creare noi stessi,” afferma Yiğit. Quando possiamo svilupparla da soli, diventa il punto di partenza di un progetto.”

Kadıpaşaoğlu ha affermato di aver ampiamente raggiunto i suoi obiettivi da quando ha inaugurato il laboratorio presso la Yildiz Technical University. “Stiamo iniziando a farci conoscere”, afferma. “Le persone vengono da noi per fare colloqui. Il laboratorio è diventato un luogo in cui altre università inviano i loro studenti universitari per la formazione.”