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Progettazione elettronica
Electronic planning
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Sviluppo software
Software development
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Modellazione 3D
3D modelling
Prototipazione rapida
Rapid prototyping
AL.MEC è nata nel 2001 come società meccatronica, negli anni ha
acquisito competenze specifiche e tecnologia che ha trasferito in altri
settori.
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AL.MEC Mechatronics progetta elettronica, sviluppa software, effettua modellazione 3D e prototipazione rapida. Nasce come fornitore di elettronica
in ambito automotive, veicoli speciali, attrezzature e allestimenti per il settore agricolo e macchine movimento terra.
La filosofia dell’innovazione, linea guida dell’azienda, ha portato al trasferimento della tecnologia e delle competenze acquisite nel settore
meccatronico all’ambito medicale.
La divisione biomedicale produce software di simulazione della meccanica dell’interazione cardiorespiratoria con scopo didattico.
Il software è basato su un modello matematico, oggetto di divulgazione, in cui il sistema cardiocircolatorio interagisce con quello respiratorio
determinando così gli spostamenti della cute, ed è in grado di ricreare virtualmente casi di emergenza e patologie non comuni, in modo tale che
l’operatore possa esercitarsi ad affrontare le diverse problematiche presenti durante queste situazioni.
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Ricerca
Il sistema cardiocircolatorio è il motore di tutto il corpo umano. Esso pompa il sangue attraverso le camere cardiache per il tramite di valvole
unidirezionali ed irrora gli organi avvalendosi di un complesso sistema di vasi. Come tale, il sistema cardiocircolatorio si presta ad uno scambio
osmotico con le metodologie ingegneristiche.
Il suo funzionamento può essere normale (fisiologia) oppure soggetto ad alterazioni e malfunzionamenti (fisiopatologia) che obbligano il medico e
l’ingegnere ad attivare un canale di comunicazione/confronto costante onde ricercare/trasferire/approntare insieme debite tecniche chirurgiche di
riparazione.
L’attività di ricerca è mirata a:
Lo sviluppo di modelli spiccatamente computazionali di simulazione e predizione degli effetti sulle vibrazioni cutanee dell'interazione
cardiovascolare-respiratoria;
Il progetto, la realizzazione ed il collaudo di catene di misura in-vivo elettro-ottiche integrate per le vibrazioni cutanee.
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Cos’è
Il Software Simul CRISD (Simulation Cardio-Respiratory Interaction & Skin Displacement) Multiphysics è un software educational realizzato
per facilitare e perfezionare l’apprendimento in diversi settori formativi come operatori sanitari o tecnici specializzati in materiali e biotecnologie, ma
anche in tutti i percorsi di studi che comprendono la biologia umana e/o fisica di base come meccanica ed elettromagnetismo. Questo software
simula diversi fenomeni biomeccanici simultaneamente basandosi su modelli fisico-matematici, oggetto di divulgazione, in cui il sistema
cardiocircolatorio interagisce con quello respiratorio e con gli spostamenti della cute. Il software è in grado di ricreare virtualmente sia casi di normale
fisiologia sia casi di emergenza e patologie non comuni, in modo tale che l’utente possa comprendere appieno i meccanismi del sistema in esame
esercitandosi ad affrontare le diverse problematiche presenti durante queste situazioni. Infatti i modelli fisiologici possono essere costruiti in modo
tale da descrivere le interazioni tra i vari sistemi e simulare in modo efficace una gran varietà di disfunzioni, adattandosi ai diversi pazienti ed
assistendo il personale clinico nella scelta della terapia.
A che cosa serve
La diagnosi delle malattie del sistema cardio-respiratorio richiede l’interpretazione da parte dello staff sanitario dei dati clinici rilevati per ogni
paziente. Spesso però risulta difficile nella realtà individuare le disfunzioni, perché possono essere non comuni o perché il tempo di intervento deve
essere rapido per poter scegliere velocemente una terapia adatta. Una formazione del personale sanitario che preveda la simulazione di tutte
queste condizioni critiche tramite questo software può aumentare la preparazione nell’affrontarle.
Oltre agli aspetti medici, questo software mette alla prova le conoscenze tecniche apprese in diverse discipline ed è un esempio concreto di come
queste vengano applicate anche in settori apparentemente distanti, come può essere la matematica, l’elaborazione di segnali o l’elettrotecnica.
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Come è fatto
L’utente visualizza su un display l’andamento del treno d’onde sfigmiche della pressione endovascolare nel tempo ed il relativo spettro in frequenza,
oltre a tutti i parametri che caratterizzano il sistema cardio-respiratorio. Modificando i valori dalla condizione standard, l’utente può esercitarsi a
simulare l’effetto della variazione di alcuni parametri del sistema cardio-respiratorio sulle grandezze fisiologiche di output del modello (come la
pressione endovascolare, la portata volumetrica, lo spostamento della cute, ecc.) e studiare ed analizzare il rapporto causa/effetto e le diverse
casistiche, valutando ed apprendendo le tecniche di intervento necessarie.
Vantaggi
L’impiego della simulazione tramite il software presenta numerosi vantaggi perché consente di:
Studiare numerose tipologie di disfunzioni e malattie che riguardano l’apparato cardio-circolatorio;
Valutare le relazioni tra i diversi parametri che caratterizzano il sistema in esame, spesso complesse;
Approfondire le conoscenze delle linee guida del trattamento delle principali emergenze medico-chirurgiche;
Creare virtualmente situazioni critiche, non comuni, in cui è fondamentale la tempestività d’intervento;
Discutere i diversi casi e gli errori commessi durante la terapia.
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Argomenti teorici
Definizione di battito cardiaco e apparato cardio-circolatorio
Il cuore
I vasi sanguinei
Pressione endovascolare
Gittata cardiaca e flusso sanguineo
Fisiologia e patologia
Definizione di atto respiratorio e apparato respiratorio
Polmoni
Fisiologia e patologia
Frequenza e ritmo
Cardiaco: numero di battiti in un minuto
Respiratorio: numero di atti respiratori in un minuto
Interazione sistema cardio-respiratorio
Circuiti elettrici
Meccanica dei fluidi
Modellazione dei materiali biologici
Blocchi funzionali
Effetti della frequenza cardiaca sulle pressioni ventricolari;
Effetti della frequenza respiratoria sui volume toracico, alveolare,
ventricolare sinistro e sulla pressione al gomito dell’arteria brachiale
e la pressione generata dai muscoli respiratori;
Effetti della resistenza della parte inferiore del corpo sulla portata
volumetrica nella rete vascolare della parte inferiore del corpo e sulla
pressione nell’aorta;
Effetti della elastanza dell’aorta sulla pressione dell’aorta e dei
ventricoli.
Gli effetti della variazione di questi parametri di input non riguardano solo i
parametri di output citati, ma possono essere estesi a tutte le quantità
calcolate dal software nei diversi punti del sistema modellato, come volume
o pressione della vena cava o portata nell’arteria polmonare. Inoltre è
sempre possibile visualizzare le conseguenze della variazione del
parametro sullo spostamento sia della parete interna che all’esterno
dell’arteria brachiale.
NOTA: Per parametri come resistenza ed elastanza è possibile scegliere punti diversi da quelli
specificati nei blocchi funzionali. Sarà inoltre possibile aggiungere come parametri di input del
software le induttanze e le capacità dello schema elettrico che modella la rete vascolare degli arti
superiori e della testa.
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Il modello circolatorio
Il cuore è un muscolo diviso in 4 scomparti – atri e ventricoli – che contraendosi
(sistole) e dilatando (diastole) funge da pompa idraulica spingendo così il
sangue, fluido ricco di sostanze nutritive ed elementi di scarto dei processi
catabolici, in tutti i punti periferici del sistema circolatorio costituito dai vasi
sanguinei (distinti in arterie, vene e capillari) che sono i condotti in cui circola il
sangue.
La pressione sanguinea è la forza esercitata dal sangue sulla superficie interna
del vaso, solitamente espressa in millimetri di mercurio (mmHg). Essa varia tra
il valore massimo detto sistole Ps e minimo detto diastole Pd. Come mostrato
nelle figure nella pagina precedente, grazie alla modellazione a parametri
concentrati della rete vascolare il software è in grado di calcolare la pressione
istantanea in diversi punti del sistema circolatorio:
Ventricolo sinistro e destro (figura al centro);
Aorta (figura in basso a destra);
Vena cava (figura in basso a sinistra);
Arteria polmonare (figura in alto a sinistra);
Vena polmonare (figura in alto a destra).
Le pressioni nei ventricoli di fine sistole (es) e fine diastole (ed) sono ottenute
come segue
Pes  Ees(V Vd )
Ped  P0 [e  (V V0 )  1]
dove il parametro elastanza E, mentre Vd e V0 sono i volumi a pressione nulla (non sottoposti a sforzi) rispettivamente per la fase sistolico e diastolica.
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Il modello circolatorio
La pressione ventricolare è data da due contributi, pressione transmurale della parete libera del
ventricolo Pvf e pressione del pericardio Pperi, il quale è a sua volta formato da due contributi la
pressione transmurale della membrana pericardica Ppcd e la pressione pleurica Ppl, quest’ultima
determinata dalla respirazione. Indicando con e(t) la funzione di attivazione cardiaca che varia tra
0 e 1, allora Pvf e Ppcd hanno la forma seguente
P  e(t )Pes  (1  e(t ))Ped
Osserviamo che la pressione media può essere calcolata come Pm  Pd  ( Ps  Pd ) / 3 e
siccome il cuore compie un lavoro questo è dato come prodotto tra la pressione media e la
variazione di volume nel ventricolo sinistro detta volume sistolico o gittata sistolica definita come la
differenza tra il volume di fine diastole e il volume di fine sistole.
Per quanto riguarda invece il calcolo della pressione nei vasi sanguinei periferici direttamente
collegati alle camere cardiache, con l’obbiettivo di minimizzare la complessità della modellazione
viene presa in considerazione solo la componente lineare della pressione, ovvero Pes, perciò la
pressione nell’aorta è definita come
Pao  Ees,ao (Vao  Vd ,ao )
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Il modello circolatorio
La modellistica a parametri concentrati si fonda sul concetto che moltissimi sistemi biologici, anche quelli più complessi, possono essere descritti
come iterazioni tra componenti elementari. Tali componenti si identificano come un unico: non si distinguono quindi al suo interno regioni o
comportamenti distinti. Il modello del software si basa su un’analogia tra il modello fisico e camere elastiche per le parti principali del sistema
cardiocircolatorio caratterizzate dal legame pressione-volume sopradescritto, mentre la rete vascolare viene modellata come un circuito elettrico in
cui la pressione P viene sostituita da una tensione mentre la portata volumetrica Q viene interpretata come una corrente. Interpretando la resistenza
R come la resistenza che la viscosità del sangue oppone al flusso, l’inerzia del sangue come una induttanza L (ovvero proprietà del vaso sanguineo
di ostacolare variazioni nel tempo della portata volumetrica) e infine la deformabilità della parete o compliance come un elemento capacitivo C, le
equazioni costitutive dell’analogo elettrico sono
Q
P
R
PS
dP
dQ
QC
dt
dt
Mentre per collegare le camere elastiche – rappresentate in figura come bolle - usiamo semplicemente una resistenza, nel caso di un ramo dello
schema elettrico del tratto della parte superiore del corpo si ha
C
dP
  Qin,i  Qout,i
dt
i
e
P  QR  S
dQ
dt
dV
 Qin  Qout . Perciò
La variazione di volume del vaso nel tempo è sempre vista come un bilancio di massa tra flusso entrante e flusso uscente
dt
una volta risolta questa equazione siamo in grado di determinare la pressione tramite le formule viste in precedenza.
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Il modello respiratorio
L’atto respiratorio è composto di due fasi: l’inspirazione e l’espirazione. Come
è possibile notare dai risultati delle pressioni ventricolari mostrati in
precedenza, il susseguirsi di atti respiratori influenza la pressione arteriosa
sistolica modulandola in ampiezza ciclicamente: infatti, le pressioni Pmus
generate dai muscoli respiratori che elevano e abbassano le costole e lo
sterno e quella toracica interferiscono con l’efflusso di sangue dal ventricolo
sinistro detto volume sistolico o gittata sistolica.
L’interazione tra il modello respiratorio e il modello cardiaco avviene tramite
l’espressione della pressione pleurica che interviene nella definizione della
pressione del pericardio:
Ppl  Pmus  Ecw (Vth  Vd ,th )
La pressione Pmus è definitiva tramite una funzione che rappresenta
l’attivazione dell’atto respiratorio nella sua fase inspiratoria e espiratoria,
mentre la pressione toracica è definita in modo simile alla pressione dei vasi
periferici per cui Ecw rappresenta l’elastanza della gabbia toracica e Vd,th è
il volume a pressione nulla e Vth è il volume dato dalla somma del volume
della vena e arteria polmonare, dei volumi ventricolari ed infine del volume
degli alveoli, la cui espressione dipende da una equazione differenziale
diversa da quella in forma generale presentata
Ppl  E alv Valv
dValv

dt
Raw
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Effetti della frequenza cardiaca
La frequenza cardiaca è espressa in numero di battiti al minuto (bpm), ricordandosi poi che 1 minuto
equivale a 60 secondi passiamo dai bpm agli Hz. In regime fisiologico questo valore oscilla tra i 60 e i 100
bpm, ovvero tra 1 e 1.667 Hz, al di sotto dei 60 bpm si parla di brachicardia e al di sopra dei 100 bpm di
tachicardia. Essa è regolata dal sistema nervoso simpatico e da fattori ormonali
La figura qui a lato mostra lo spettro in frequenza della pressione nell’aorta, nella quale è possibile notare
la frequenza fondamentale del battito cardiaco a 1Hz e le sue frequenze armoniche superiori, ovvero
multiple della frequenza fondamentale.
Un aumento della frequenza cardiaca può essere dovuto alla necessità di pompare più sangue nel
sistema periferico che, in un soggetto sano, farà aumentare la pressione arteriosa. Viceversa una
diminuzione della frequenza corrisponderà ad una diminuzione della pressione, come illustrato nelle
immagini sottostanti per fc=60 e 40 bpm
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Effetti dell’elastanza
L’elastanza E è un indice di contrattilità, ovvero
rappresenta la capacità della struttura di tornare alla
conformazione originale una volta rimossa la pressione
deformante perciò e definito come il rapporto di
variazione di pressione sulla variazione di volume. Dalla
espressione lineare della pressione vediamo bene che
una diminuzione della elastanza comporta un una
diminuzione di pressione, non solo per la camera elastica
coinvolta ma anche per le camere elastiche adiacenti.
Si prenda infatti in considerazione i risultati per la aorta a
sinistra con i parametri di default e a destra con valore
dell’elastanza dimezzato. Si nota facilmente come la
pressione sia diminuita, ma non dimezzata come si
potrebbe essere indotti a pensare questo perche la
pressione e il volume sono dipendenti dal tempo, mentre
l’elastanza viene presa costante nel modello.
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Effetti della resistenza
La portata volumetrica tra due camere elastiche
a pressioni differenti è data da Q1=(P1-P2)/R1,
per cui se aumentiamo la resistenza ci
attendiamo che il flusso in esso sia ridotto,
questo a sua volta comporta un rialzo della
pressione nel caso il flusso in ingresso sia
maggiore di quello in uscita.
Aumentiamo allora per esempio la
resistenza Rsys corrispondente alla
parte inferiore del corpo allora il flusso
di sangue in tale tratto sarà ridotto,
mentre la pressione nell’aorta
aumenterà per effetto dell’accumulo di
sangue nell’arteria rappresentato
dall’aumento di volume.
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Effetti della frequenza respiratoria
La frequenza respiratoria è
calcolata come numero di atti
respiratori in un minuto, che
normalmente a riposo normale va
dai 12 ai 20 atti al minuto. Un
aumento
della
frequenza
respiratoria
comporta
una
diminuzione della modulazione
pressoria in ampiezza, mentre
diminuendo la frequenza la
modulazione è più consistente.
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Vibrazione tissutale dei vasi e della cute
L’onda sfigmica si propaga lungo tutta la diramazione vascolare come si può notare sia dai
diagrammi di pressione riguardanti i tratti principale del sistema vascolare sia come si evince
dal diagramma di pressione per l’arteria brachiale al livello del gomito. La pressione simulata
dal software è la pressione arteriosa che il sangue esercita sulle pareti del vaso. Il movimento
della parete sotto l’azione della pressione in fase sistolica è tale da trasmettersi ai tessuti
circostanti. La modellazione della meccanica dei tessuti si basa su un bilancio di forze, ma
soprattutto su le equazioni costitutive in grado di descrivere le caratteristiche del materiale. La
caratterizzazione dei materiali attraverso delle formule è un campo di ricerca molto attivo. Vale
la pena allora comprendere come l’onda sfigmica originatasi nel ventricolo sinistro possa
influenzare il comportamento dei tessuti che costruiscono i condotti in cui si propaga.
Lo spostamento della cute è massimo quando la pressione è massima poi crolla sotto l’effetto
del rilassamento per poi aumentare sotto l’effetto di una successiva onda. Il comportamento è
ciclico come l’attività cardiaca ed è modulata sotto l’effetto dell’interazione cardio-respiratoria.
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R&D
L’azienda è un’affermata ditta produttrice di soluzioni e innovazioni tecnologiche che investe nella ricerca, nell'aggiornamento del proprio personale e in
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principali necessarie per un prodotto industriale conforme agli standard di riferimento internazionali.
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