Energy-based modeling of cardiovascular systems with DEA integrated

Col fine di integrare un attuatore elastomerico dielettrico (DEA) nel sistema cardiovascolare e fornire supporto cardiaco, in questa tesi è presentato un approccio di modellazione multi-dominio. Per descrivere le grandi deformazioni bidimensionali sotto azione elettrica e meccanica, lo studio combina un modello basato sulla teoria membranale sfruttando il modello iper-elastico di Yeoh con un modello Windkessel personalizzato a tre elementi, che rappresenta il cuore, l'aorta e la circolazione periferica. Un lavoro significativo è stato svolto nella formulazione di modelli bond graph e Port-Hamiltoniani (PH) per garantire un'interconnessione che preservi la potenza e sia coerente dal punto di vista energetico tra i sottosistemi DEA (elettro-meccanico) e cardiovascolare (idraulico). Sebbene ciascun sottosistema fosse caratterizzato in modo soddisfacente nel framework PH, sono state riscontrate incompatibilità dimensionali che impedivano una rappresentazione PH unificata per l'intero sistema attraverso l'accoppiamento diretto. La fattibilità del sistema integrato è confermata dalle simulazioni effettuate in MATLAB Simscape. I risultati dimostrano che sincronizzare l'attuazione del DEA con la sistole ventricolare offre vantaggi clinicamente significativi, quali una diminuzione dei picchi della pressione sistolica e telediastolica, una maggiore uniformità del flusso aortico e una riduzione del consumo energetico ventricolare sinistro. Questi risultati implicano che il supporto cardiaco basato sulla DEA è un sostituto praticabile, biocompatibile ed efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai tradizionali dispositivi di supporto cardiaco. La tesi si conclude delineando i temi di ricerca futuri, quali l'ottimizzazione della geometria e le strategie di controllo, e discutendo i limiti del modello, quali l'ipotesi di funzionamento quasi-statico e la necessità di tecniche numeriche più affidabili per l'analisi dinamica.