Desenvolvimento de um protótipo para a simulação do sistema cardíaco humano

Abstract

O sistema cardiovascular é um dos sistemas mais importantes do corpo humano e tem sido alvo de vários estudos biomédicos. A simulação de diferentes sistemas fisiológicos pode ser muito útil quando utilizada como ferramenta pedagógica, pois permite uma melhor observação e compreensão dos papéis desempenhados por cada mecanismo em vários processos. O desenvolvimento de um simulador do sistema cardiovascular possibilita reinterpretar todo o sistema fisiológico, com a vantagem de se usar os mesmos transdutores e sensores que, normalmente, são utilizados para monitorizar vários parâmetros hemodinâmicos, durante o diagnóstico e tratamento de doenças cardiovasculares. A presente dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um protótipo capaz de simular o sistema cardiovascular humano, também denominado como duplicador de pulsos, e de reproduzir os diversos parâmetros fisiológicos envolvidos no processo. Este trabalho divide-se em duas partes. Inicialmente, descreve-se a simulação do sistema cardiovascular realizada com recurso ao software Automation Studio™, geralmente utilizado em projetos de circuitos hidráulicos. A segunda parte refere-se ao projeto mecânico do protótipo do simulador cardiovascular, englobando o dimensionamento, seleção e modelação de todos os componentes deste sistema. O projeto de ambos os simuladores engloba vários componentes hidráulicos e electro-hidráulicos, tais como, válvulas, cilindros, bombas e transdutores de pressão, pressóstatos (sensores de pressão) e fluxómetros. Tanto a simulação como o projeto mecânico reproduzem com elevada precisão o processo mecânico, os diferentes parâmetros e o comportamento fisiológico do sistema cardiovascular, em particular, da circulação sistémica, que pode ser descrita em termos das suas variáveis hemodinâmicas. Finalmente, apresenta-se uma estimativa do custo de aquisição deste equipamento, que comparado com outros disponíveis no mercado, apresenta um valor significativamente reduzido. A partir deste projeto, é possível construir, de uma maneira mais fácil e económica, um simulador do sistema cardiovascular. Quando usado como ferramenta pedagógica, permite não só uma melhor perceção do funcionamento deste complexo sistema anatómico como também possibilita uma melhor visualização da influência das diversas variáveis na regulação do fluxo sanguíneo humano.

The cardiovascular system is one of the most important systems of the human body and has been the target of many biomedical studies. The simulation of different physiological systems may be useful when used as a pedagogical tool, as it allows a better visualization and understanding of the role of each mechanism in the different processes. The development of a cardiovascular system simulator allows to reintrepertate the whole anatomical system, with the advantage of using the same transducers and sensors, which are typically used to monitor various hemodynamic parameters during diagnosis and treatment of cardiovascular diseases. This dissertation aims to develop a prototype able to simulate the human cardiovascular system, and to reproduce several physiologic parameters involved in the cardiovascular process. This work is divided in two parts. Initially, it describes the hydraulic simulation of the left side of the heart, using the Automation Studio™ software usually used in hydraulic circuits projects. The second part concerns the detailed mechanical design of the cardiovascular simulator, which includes the sizing, selection and modeling of all components of this system. In both cases, the design includes several hydraulic and electro-hydraulic components, such as valves, cylinders, pumps, pressure transducers, flowmeters and pressure switches. Both simulation and mechanical design reproduce, with high precision, the mechanical process, the different parameters and the physiological behavior of the cardiovascular system, specifically the systemic circulation, which can be described in terms of its hemodynamic variables. Finally, it is presented an appraisal of this equipment acquisition cost, which compared to the ones available in the market, presents a meaningfully lower value. Based on this project, it is possible to build, in an easy and cheap way, a cardiovascular simulator. When used as a pedagogical tool, it allows not only a better insight of this complex anatomical system functioning but also a better visualization of its influence in the diverse variables of the human blood flow regulation.