Modelagem e simulação da distribuição da temperatura do coração em cirurgias cardíacas em função do fluxo coronariano

Abstract

Resumo: Esta dissertação desenvolve uma análise teórica e experimental, modelagem matemática, simulação e avaliação do coração durante uma cirurgia cardíaca, através de coletas de dados de temperatura no momento da cirurgia e da aplicação de uma técnica alternativa de simulação, denominada de modelo de elementos de volume. A técnica se baseia na combinação de princípios de termodinâmica clássica e de transferência de calor, com a utilização de correlações analíticas teóricas e empíricas disponíveis na literatura. Utilizando como dados de entrada fluxos coronarianos conhecidos, o trabalho aplica o modelo de elementos de volume para simular a resposta térmica do coração durante a cirurgia, com o tórax aberto e consequentemente, com a metade superior do órgão cardíaco, outros órgãos e tecidos internos do paciente expostos ao ambiente externo, considerando possível circulação de ar sobre o corpo em regime de convecção natural. Um procedimento de validação experimental dos resultados numéricos obtidos foi conduzido por comparação direta com medições de temperatura da superfície dos tecidos via imagens de câmara de infravermelho, em dois casos de obstruções cardiovasculares distintas. Os resultados numéricos apresentam muito boa concordância qualitativa e quantitativa com as medições experimentais dos dois casos considerados. Espera-se, portanto, que o código computacional desenvolvido, como base de um próximo trabalho, venha a se transformar em um aplicativo para utilização durante cirurgias cardíacas para avaliar a reperfusão do órgão. Para tanto, será resolvido o problema inverso da estimativa dos fluxos coronarianos resultantes, calculados a partir das temperaturas superficiais medidas por imagem infravermelha.

Abstract: This dissertation develops a theoretical and experimental analysis, the mathematical modeling, simulation and evaluation of the heart, during a cardiac surgery, through temperature data collection in real surgery time and the application of an alternative simulation technique, namely, the volume element model. The technique is based on the combination of classical thermodynamics and heat transfer principles, with the utilization of theoretical and empirical analytical correlations available in the literature. Using known coronary flows as input data, the work applies the volume element model to simulate the heart thermal response during open chest surgery, and, consequently, with the cardiac organ upper half, other organs and internal tissues exposed to the external ambient, considering possible air circulation over the body under the natural convection regime. An experimental validation procedure of the obtained numerical results was conducted by direct comparison with the surface temperature measurements of the tissues via infrared camera images, in two distinct cases of cardiovascular obstructions. The numerical results showed very good qualitative and quantitative agreement with the two experimental measurements considered. Therefore, it is expected that the developed computational code, as the basis of a follow up work, will become a software to be utilized during cardiac surgeries to evaluate the organ reperfusion. For that, the inverse problem of the resulting coronary flows estimation will be solved, calculated from the measured surface temperatures via infrared imaging.