Simulation der Blutzirkulation im menschlichen Herzen

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Der Test von Herzklappenprothesen

Anhand der erfassten Werte lassen sich spezifische Daten für die jeweilige Klappe errechnen. Steuer- und Regelsignale sowie erfasste Druck- und periodische Signale werden über einen FPGA in Echtzeit gesteuert. Der Simulator wurde validiert, indem das digitale Modell verifiziert sowie die verschiedenen Raten gemessen wurden. Anschließend wurden die Messwerte mit denen von vorherigen Simulatoren verglichen. Außerdem mussten die Oberwellen analysiert werden, um die Validität des Simulators mit In-vivo-Daten aus relevanter Dokumentation abzugleichen. Bezüglich Druck und Volumen im Vorhof und in der Herzkammer entsprechen die Daten des Simulators den an Patienten gemessenen Werten.

Je nach Diagnose, Alter und Gesundheitszustand des Patienten kann eine kranke oder schadhafte Herzklappe durch eine Prothese ersetzt werden. Während einer Operation am offenen Herzen wird die Herzklappe entfernt und eine mechanische oder biologische Prothese implantiert. Welches Modell besser geeignet ist, entscheidet der behandelnde Arzt anhand des hämodynamischen Profils des Patienten, klinischer Empfehlungen sowie der Spezifikationen der Prothese. Aktuelle Standards wie ISO 5840 garantieren dabei den einwandfreien und dauerhaften Betrieb der Herzklappenprothese nach der Implantation. Deshalb sind auch Tierversuche sowie klinische Studien nötig, bevor eine Herzklappenprothese zugelassen wird.

Das komplexe System der Blutzirkulation

Zu den wichtigsten In-vitro-Tests gehört die Überprüfung der hydrodynamischen Leistung unter getakteten Bedingungen. Diverse hydrodynamische Parameter, wie etwa Herzfrequenz, Herzzeitvolumen und Aortendruck, werden auf die Prothese angewendet, um ihr Verhalten zu testen. Um den ISO-Standard gerecht zu werden, muss eine durch quantitative Kriterien vorgegebene minimale Leistung erbracht werden. Dieser Simulator erlaubt umfassende Tests, welche die vom Standard geforderten Kriterien quantifizieren und gleichzeitig können die Herzklappenprothesen optimal genutzt werden. Neuere Herzklappen, die mit minimalinvasiven Verfahren implantiert werden können, stellen eine Weiterentwicklung des Standards dar und berücksichtigen gleichzeitig klinische Fragestellungen, die mit dieser neuen Technologie einhergehen.

Der Blutfluss in Vorhof und Herzkammer kann mit Particle Image Velocimetry (PIV) im Zweibildverfahren auf mehreren Ebenen untersucht werden. Die Modelle und Gehäuse sind durchsichtig, sodass die Daten im Hinblick auf die Strömungsdynamik erfasst und anschließend verarbeitet und analysiert werden können. Auch die Datenerfassung per PIV wird vom LabVIEW-Programm gesteuert, sodass der Herzrhythmus mit den erfassten Bildern synchronisiert werden kann.

Ultraschallmessungen können außerdem an verschiedenen Stellen durchgeführt werden, entweder direkt in der Herzkammer oder durch die Aorten- und Mitralklappe. So kann der Anwender Parameter erfassen, die normalerweise während einer kardiologischen Ultraschalluntersuchung ermittelt werden. Auf diese Weise hilft der Simulator dabei, das komplexe System der Blutzirkulation in den Herzkammern zu verstehen und daraus neue klinische Kriterien abzuleiten.

Der Einsatz des Simulators in der Praxis

Der Simulator wurde eingesetzt, um den Einfluss von verschiedenen Arten von biologischen oder mechanischen Mitralklappenprothesen bei pulmonaler Hypertonie oder thromboembolischen Ereignissen zu untersuchen. Der Blutfluss zwischen den Herzklappen kann für verschiedene Arten von Prothesen in-vitro erfasst und unter pathologischen Bedingungen simuliert werden.

Das ermöglicht die Isolierung und Untersuchung der komplexen Zusammenhänge zwischen der Auswahl einer geeigneten Herzklappenprothese und verschiedener sekundärer Erkrankungen. Außerdem lässt sich die Funktion der zugehörigen Herzklappe mit dem Simulator verbessern oder verschlechtern.

* Pr Régis Rieu hat zusammen mit seinen Kollegen Dr. Carine Guivier Curien, Morgane Evin (Aix-Marseille Université) und Dr. Vincent Gartey sowie Dr. David Tanne (PROTOMED SA) gearbeitet.

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