Orientadores: Antonio Celso Fonseca de Arruda, Aron Jose Pazin de Andrade / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T06:51:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bock_EduardoGuyPerpetuo_M.pdf: 3873649 bytes, checksum: 91eb2ac5543b164e576ca7a5e61d6a45 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Uma bomba centrífuga implantável foi projetada e construída para assistência ventricular de longa duração no tratamento de pacientes portadores de doenças cardiovasculares. A metodologia utilizada foi a de testes de desempenho ¿in vitro¿ compostos de testes de atrito para seleção de materiais para os mancais de apoio, testes de desempenho hidrodinâmico da bomba e testes com sangue humano para a verificação da hemólise causada no bombeamento. Os primeiros testes foram realizados com uma bomba centrífuga não implantável, normalmente utilizada em cirurgias cardíacas, para a determinação do posicionamento do orifício de entrada da bomba. Foram realizadas simulações numéricas por computador para dimensionamento da bomba. Testes de atrito foram feitos para a seleção de materiais do sistema de mancais de apoio proposto para alcançar a durabilidade necessária. Testes de desempenho hidrodinâmico foram utilizados para determinar o melhor desenho para o rotor da bomba. Seu desempenho foi comparado com uma bomba não implantável e com uma bomba implantável similar americana e apresentou melhores resultados que ambas. Testes com sangue foram feitos para quantificar os danos causados aos componentes do sangue pela bomba. O seu índice normalizado de hemólise foi de 0,0054 mg/100L, considerado excelente por se encontrar próximo do limite mínimo encontrado na literatura: entre 0,004 g/ 100L e 0,02 g/ 100L. Como trabalhos futuros, serão feito testes com animais para que a bomba centrífuga implantável possa ser utilizada em pacientes / Abstract: An implantable centrifugal blood pump was developed for long-term ventricular assistance in cardiac patients. In vitro tests were performed, as wear evaluation, performance tests and hemolysis tests in human blood. Preliminary tests were performed with a non-implantable pump in order to properly locate the inlet port. Numerical computational simulations were performed in order to predict its best geometry. Wear evaluations helped to select the best materials for double pivot bearing system proposed to achieve longer durability. Performance tests pointed the best impeller geometry. The implantable centrifugal blood pump was compared with other two blood pumps. One is a centrifugal blood pump for cardiopulmonary bypass and the other is a similar implantable device. The proposed implantable centrifugal blood pump showed the best performance. But, its results showed a strong descendant curve in high flow. Other prototype was manufactured with a different inlet port angle to overcome this problem. The normalized index of hemolysis (NIH) tests was performed with human blood pumped in an In Vitro closed circuit (mock loop) in normalized conditions, as flow of 5 L/min and total pressure ahead of 100 mm Hg. After six hours, NIH measured 0.0054 mg/100L that can be considered excellent since it is close to the minimum found in literature (between 0.004 g/ 100L e 0.02 g/ 100L). As future work, in vivo test will be performed with the implantable centrifugal blood pump looking forward to implant it in patients / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

O mancal magnético base deste trabalho é de 1-GDL(grau de liberdade) de controle uni-axial com circuito magnético híbrido do tipo atração, o qual foi desenvolvido em 2000 na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo por Silva e Horikawa [1][2]. Nas duas extremidades do rotor são fixados ímãs, e em oposição ficam os atuadores eletromagnéticos com núcleos ferromagnéticos. Os ímãs são atraídos para os atuadores pelas forças magnéticas devido à presença dos núcleos ferromagnéticos dos dois atuadores. Devido à concorrência entre as forças magnéticas de atração, o rotor fica confinado na posição central do eixo axial resultando numa rigidez passiva para esforços radiais. E na direção axial, a posição do rotor é definida pelo controle ativo que produz o efeito da levitação magnética do rotor. Se o rotor do mancal magnético sofrer esforços na direção axial, o sistema de controle deve aplicar mais corrente elétrica nos atuadores para assegurar o correto posicionamento do rotor, isto pode gerar um enorme consumo de energia elétrica. Este trabalho estuda o princípio de controle de mancal magnético com potência nula para ser aplicado no projeto de uma bomba centrífuga mista, que tem seu rotor suspenso magneticamente. É chamada de potência nula a condição de operação com o mínimo de consumo de energia na levitação do rotor. A bomba em projeto será utilizada no auxílio da circulação sanguínea, aliviando a carga do bombeamento do ventrículo esquerdo do coração doente, por isso o projeto da bomba é chamado de Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV). As necessidades técnicas do DAV justificam o emprego do sistema de mancal magnético e do controle de potência nula. Para se aplicar a técnica de controle de potência nula é essencial que o sistema magnético do mancal seja do tipo híbrido. Este estudo se desenvolveu a partir do sistema de mancal magnético desenvolvido por Silva e Horikawa [1][2] pela semelhança de propriedades que o mancal do DAV solicita. O Algoritmo do controle de potência nula (ZPC- zero power control) foi desenvolvido para proporcionar um código simples e pequeno sem comprometer a robustez do controle que o projeto do DAV requer. / The magnetic bearing of this work is based on the 1-DOF (degree of freedom) control uni-axial magnetic circuit with hybrid-type attraction, which was developed in 2000 at the Polytechnic School, University of São Paulo by Silva and Horikawa [1][2]. At both ends of the rotor magnets are fixed, and in opposition are the electromagnetic actuators with ferromagnetic cores. The magnets are attracted to the actuators by the forces due to the presence of ferromagnetic cores of the two actuators. Due to competition between the magnetic forces of attraction, the rotor is confined in the central position of the axial stiffness resulting in efforts to radial. And in the axial direction, the rotor position is defined by the active control that produces the effect of magnetic levitation of the rotor. If the rotor magnetic bearing suffer efforts in the axial direction, the control system should apply more electrical current in the actuators to ensure correct positioning of the rotor, this can generate a huge power consumption. This paper studies the principle of magnetic bearing control with zero power to be applied in designing a mixed centrifugal pump, which has its rotor magnetically suspended. It is called the zero power operating condition with minimal energy consumption in the levitation of the rotor. The pump design will be used to aid blood circulation, relieving the load on the pumping of the left ventricle of the heart sick, so the pump design is called a Ventricular Assist Device (VAD). The technical needs of the DAV justify the use of magnetic bearing system and zero power control. To apply the technique of zero power control is essential that the magnetic bearing system is a hybrid. This study was developed from the magnetic bearing system developed by Silva and Horikawa [1] [2] by the similarity of the bearing properties of the DAV requests. The algorithm of zero power control (ZPC-zero power control \") was developed to provide a simple and small code without compromising the robustness of the control that the project requires the VAD.

O mancal magnético base deste trabalho é de 1-GDL(grau de liberdade) de controle uni-axial com circuito magnético híbrido do tipo atração, o qual foi desenvolvido em 2000 na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo por Silva e Horikawa [1][2]. Nas duas extremidades do rotor são fixados ímãs, e em oposição ficam os atuadores eletromagnéticos com núcleos ferromagnéticos. Os ímãs são atraídos para os atuadores pelas forças magnéticas devido à presença dos núcleos ferromagnéticos dos dois atuadores. Devido à concorrência entre as forças magnéticas de atração, o rotor fica confinado na posição central do eixo axial resultando numa rigidez passiva para esforços radiais. E na direção axial, a posição do rotor é definida pelo controle ativo que produz o efeito da levitação magnética do rotor. Se o rotor do mancal magnético sofrer esforços na direção axial, o sistema de controle deve aplicar mais corrente elétrica nos atuadores para assegurar o correto posicionamento do rotor, isto pode gerar um enorme consumo de energia elétrica. Este trabalho estuda o princípio de controle de mancal magnético com potência nula para ser aplicado no projeto de uma bomba centrífuga mista, que tem seu rotor suspenso magneticamente. É chamada de potência nula a condição de operação com o mínimo de consumo de energia na levitação do rotor. A bomba em projeto será utilizada no auxílio da circulação sanguínea, aliviando a carga do bombeamento do ventrículo esquerdo do coração doente, por isso o projeto da bomba é chamado de Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV). As necessidades técnicas do DAV justificam o emprego do sistema de mancal magnético e do controle de potência nula. Para se aplicar a técnica de controle de potência nula é essencial que o sistema magnético do mancal seja do tipo híbrido. Este estudo se desenvolveu a partir do sistema de mancal magnético desenvolvido por Silva e Horikawa [1][2] pela semelhança de propriedades que o mancal do DAV solicita. O Algoritmo do controle de potência nula (ZPC- zero power control) foi desenvolvido para proporcionar um código simples e pequeno sem comprometer a robustez do controle que o projeto do DAV requer. / The magnetic bearing of this work is based on the 1-DOF (degree of freedom) control uni-axial magnetic circuit with hybrid-type attraction, which was developed in 2000 at the Polytechnic School, University of São Paulo by Silva and Horikawa [1][2]. At both ends of the rotor magnets are fixed, and in opposition are the electromagnetic actuators with ferromagnetic cores. The magnets are attracted to the actuators by the forces due to the presence of ferromagnetic cores of the two actuators. Due to competition between the magnetic forces of attraction, the rotor is confined in the central position of the axial stiffness resulting in efforts to radial. And in the axial direction, the rotor position is defined by the active control that produces the effect of magnetic levitation of the rotor. If the rotor magnetic bearing suffer efforts in the axial direction, the control system should apply more electrical current in the actuators to ensure correct positioning of the rotor, this can generate a huge power consumption. This paper studies the principle of magnetic bearing control with zero power to be applied in designing a mixed centrifugal pump, which has its rotor magnetically suspended. It is called the zero power operating condition with minimal energy consumption in the levitation of the rotor. The pump design will be used to aid blood circulation, relieving the load on the pumping of the left ventricle of the heart sick, so the pump design is called a Ventricular Assist Device (VAD). The technical needs of the DAV justify the use of magnetic bearing system and zero power control. To apply the technique of zero power control is essential that the magnetic bearing system is a hybrid. This study was developed from the magnetic bearing system developed by Silva and Horikawa [1] [2] by the similarity of the bearing properties of the DAV requests. The algorithm of zero power control (ZPC-zero power control \") was developed to provide a simple and small code without compromising the robustness of the control that the project requires the VAD.

L’assistance ventriculaire constitue une voie thérapeutique prometteuse de l’insuffisance cardiaque terminale. En dépit des progrès, notamment dans le développement des assistances de type shunt ventriculo-aortique, les écueils relatifs à l’encombrement, à l’alimentation et/ou aux interactions avec le sang de ces dispositifs limitent leur application clinique. Récemment, le concept de Compression Cardiaque Directe (DCC) apparaît comme une piste prometteuse en palliant les difficultés sus-citées. Dans ce travail de thèse, nous avons mis l’accent sur la conception et le test de faisabilité d’une solution de Compression Cardiaque Directe de type mécanique et entièrement implantable appelée l’Exosquelette Cardiaque. Notre travail expérimental a porté, dans un premier temps, sur la conception assistée par ordinateur et sur la modélisation numérique permettant ainsi d’optimiser et de prédire (i) les interactions tissus myocardiques/dispositifs et (ii) les pressions ventriculaires générées. Ensuite, un prototype fonctionnel a été réalisé par fabrication additive (titane, polymères) en s’appuyant sur les données issues de la modélisation et en respectant les contraintes énergétiques, mécaniques et architecturales anatomiques. Enfin, nous avons conduit une phase d’évaluation du potentiel de ce dispositif original sur un modèle de cœur ex vivo. Nous avons pu concevoir et valider un modèle numérique fondé sur le principe des éléments finis. Ce modèle à la fois simple et robuste, a permis de simuler (i) l’impact des points de fixation du dispositif sur le tissu cardiaque, (ii) l’efficacité de la compression externe sur la genèse des pressions intraventriculaires et (iii) l’influence de la compression mécanique externe sur le tissu cardiaque. Le prototype issu de ce travail de thèse a pu produire des résultats prometteurs concernant (i) la restauration physiologique de la pression intraventriculaire, (ii) la consommation énergétique suffisamment basse et (iii) le design compatible avec les contraintes anatomiques thoracique. L’ensemble de ces résultats esquissent la possibilité d’une implantation totale de l’Exosquelette Cardiaque chez le patient / Ventricular assistance is a promising therapeutic pathway for terminal chronic heart failure. Notwithstanding the progress made for the development of aorto-ventricular shunt pump among other things, the difficulties relatives to footprint, power supply and/or blood-device interactions are somehow limiting their clinical applications. Recently, direct cardiac compression (DCC) was suggested as a promising lead to overcome the difficulties mentioned above. In this work, we focused on the design and the feasibility of an implantable and mechanical Direct Cardiac Compression device called: The Cardiac Exosqueleton. Our experimental work used Computer Assisted Design (CAD) and numerical modeling to optimize and predict (i) tissue-device interactions and (ii) pressure generation inside ventricular cavities. Then, a functional prototype was realized by additive manufacturing (titanium, polymer) with the help of modeling data and with respect to the anatomical, mechanical and energetical limitations. Finally, we conducted an evaluation of the ability of our device on both in vitro setup and ex vivo heart. We were able to conceive and validate a numerical model based on finite element techniques. This simple yet robust model allowed us to study (i) the impact of suture fixation of a device at the apex of the heart, (ii) the influence of the direct cardiac compression on intracardiac pressures and (iii) overall and local tissue stress in the myocardium. Our prototype showed promising results concerning (i) the restoration of physiological intraventricular pressures, (ii) a low energy consumption and (iii) a shape that is compatible with the thoracic anatomical constraints. All of these results allow us to envision a total implantation of the cardiac exoskeleton into the patient