Fluid dynamics characterization of biomedical implantable devices: experimental measurements and numerical simulation

Le valvole cardiache di tipo meccanico, in particolare le valvole a doppia flangia (bileaflet), sono largamente applicate nella sostituzione di valvole native affette da diverse patologie. Queste protesi valvolari presentano una buona durata a lungo termine. Tuttavia, le sollecitazioni meccaniche a carico del sangue sono associate a complicanze (emolisi e trombogenicità), che pongono importanti requisiti di sicurezza per questo tipo di valvole. In questo lavoro di tesi, la Particle Image Velocimetry (PIV) è stata applicata come strumento sperimentale per la caratterizzazione fluidodinamica dei dispositivi biomedici impiantabili, in particolare per le valvole cardiache meccaniche a doppia flangia (BMHV). Misure PIV della stessa posizione nel campo fluidodinamico sono state eseguite ripetutamente, per ottenere affidabili convalide sperimentali di dati numerici. La riproducibilità dei dati sperimentali da misure PIV è stata dimostrata affidabile, con un coefficiente di variazione per le proprietà emodinamiche inferiore al 5%. Questi parametri emodinamici come la velocità, turbulence shear stress (TSS) e indice di emolisi (HI) non hanno solo fornito una buona base di ricerca per la simulazione numerica, ma hanno anche consentito di analizzare direttamente i potenziali rischi per il danno ematico causato dell’impianto di dispositivo. Il massimo TSS misurato per i getti di rigurgito della valvola di tipo 1 è stato di circa 40 Pa e per I getti di rigurgito della valvola di tipo 2 è stato di 20 Pa. Le simulazioni che utilizzano la fluidodinamica computazionale (CFD) sono state eseguite in base ai parametri fisici delle condizioni sperimentali. E’ stato osservato un buon accordo tra risultati PIV e CFD, in base al confronto nella regione vicina alla cerniera della flange. Inoltre, i dati CFD sono stati utilizzati per studiare le proprietà emodinamiche all’interno della regione della cerniera, in cui le misure PIV non possono essere effettuate a causa dell’inaccessibilità ottica. Il lavoro sperimentale è stato condotto interamente presso l’Istituto Superiore di Sanità (ISS), Roma, mentre e gli studi di simulazione si basano sulla collaborazione tra l’ISS e l’Università Tecnica di Cluj-Napoca (TuCN) a Cluj-Napoca, Romania. Lo scopo finale di tale collaborazione è quello di usare metodologie sperimentali e di simulazione per definire una procedura standard per ottenere una sufficiente affidabilità per la valutazione e la mitigazione del rischio associato all’impianto di protesi valvolari cardiache.