Fluid dynamics in the left ventricle : PIV of an inflow cannula for ventricular assist devices

Abstract

Einleitung: Linksventrikuläre Herzunterstützungssysteme werden heutzutage immer öfter benötigt, um Patienten mit Herzinsuffizienz ein Überleben zu ermöglichen, da die Anzahl an Spenderorganen nach wie vor begrenzt ist. An der Medizinischen Universität Wien wurde eine neue Anordnung und Kanüle für derartige Pumpen entwickelt. In dieser Anordnung gelangt die Kanüle durch den linken Vorhof und folglich durch die Mitralklappe in den linken Ventrikel. Ziel dieser Arbeit war es, ein Model eines linken Ventrikels herzustellen und die Strömung in diesem zu untersuchen. Des Weiteren sollte der Einfluss der Position der Kanülenspitze im Ventrikel auf die Strömungsverhältnisse analysiert werden.<br />Methoden: Ein transparentes Modell eines linken Ventrikels wurde aus Silikon angefertigt. Die Geometrie der Herzkammer wurde mit Hilfe von CT-Daten rekonstruiert. Anschließend wurde eine Gussform mit einem 3D-Drucker produziert und darin das Modell gegossen. Das ausgehärtete Gussmaterial sollte möglichst durchsichtig, widerstandsfähig aber trotzdem flexibel sein. Das fertige Modell wurde in einen Kreislauf implementiert, wobei die Kanüle durch die Mitralklappe in den Ventrikel eingeführt wurde. Als Herzklappen wurden fixierte Aortenklappen vom Schweineherz verwendet. Die Fluiddynamik und das Flussverhalten wurden mittels Particle Image Velocimetry (PIV) bestimmt.<br />Ergebnisse: Es wurden Messungen für drei verschiedene Kanülenpositionen durchgeführt (in der Nähe der Mitralklappe, in der Mitte des Ventrikels und im Apex). Für Position I wurde nur eine Einstellung gemessen. Bei den beiden anderen Positionen II und III wurde die Herzfunktion in Form von drei verschiedenen Auswurfleistungen des Herzens variiert: kein Auswurf, sehr schwache- und verbesserte Auswurfleistung (0%, 15% und 33% EF). Die Drehzahl der Pumpe wurde auf 2500 U/min eingestellt. Bei reinem Pumpenbetrieb waren die Geschwindigkeiten sehr niedrig (ca. 0.1 m/s).<br />Bei Ventrikelaktivität konnte ein leichter Ausstrom durch die Aortenklappe festgestellt werden. Während der frühen Diastole war ein Jet zu beobachten, der durch die Mitralklappe in den Ventrikel strömte.<br />Die Maximalgeschwindigkeit des Jets war stark von der Herzfunktion abhängig (15% EF: 0.76 m/s, 33% EF: 0.95 m/s). Gegen Ende der Diastole findet bei den Positionen II und III eine ausreichende Auswaschung des Apex statt.<br />Diskussion: Ein Kreislauf mit dem transluzenten Modell des Ventrikels und der neuen Kanülenanordnung wurde aufgebaut und Strömungsanalysen unter physiologischen Bedingungen durchgeführt. Die Messungen ergaben für Position I, dass die Auswaschung sehr eingeschränkt ist. Bei den beiden anderen Positionen konnte eine zufriedenstellende Auswaschung erzielt werden.<br />

Introduction: Ventricular Assist Devices (VADs) are nowadays often used as bridge to transplant or destination therapy for people suffering end-stage heart failure. At the Medical University of Vienna a new configuration and inflow-cannula for VADs was developed. In this configuration the cannula enters the left ventricle via the mitral valve. Aim of this work was to investigate the fluid dynamics in a model of a left ventricle for this new setup in a mock circuit using Particle Image Velocimetry (PIV). Influence of the cannula-position on the flow patterns should also be analyzed.<br />Methods: A model of a left ventricle was manufactured: Geometry was taken from CT-data and a casting mold was produced by a 3D-printer wherein the model was molded then. Since the artificial ventricle had to be translucent and flexible, the chosen material was silicone. A mock circulation was built up including the ventricle and a VAD with the cannula entering the ventricle through the mitral valve. Fixed porcine aortic valves were used in the circuit both for aortic- and mitral valve. Flow field in the ventricle was measured with the help of a PIV-system. Cardiac function and VAD-speed were altered and several setttings were analyzed.<br />Results: Three different cannula positions were measured (close to mitral valve, center of the ventricle, apex). For position I just one setup was investigated. For position II and III cardiac function was varied: no-, reduced- and recovered cardiac function (0%, 15% and 33% EF) whereas VAD-speed was set to 2500 rpm. Velocities for pure VAD-flow were low (about 0.1 m/s for both positions II and III). For setups with ventricular function during systole slight aortic flow is visible for 15% EF, which becomes stronger for 33% EF. A jet enters the ventricle in early diastole. Velocity of this jet depends primarily on ventricular function (15% EF: 0.76 m/s, 33% EF: 0.95 m/s). In late diastole for both positions II and III washout is sufficient. Again velocities vary with cardiac function. Another position was measured, where the cannula tip was located close to the edge of the ventricle at approximately the same height as for position II. Here velocities in the apex are lower than if the cannula tip was in the center.<br />Discussion: A translucent model of a left ventricle was successfully manufactured and implemented in a mock circulation with physiological conditions. Influence of the new VAD-configuration on flow patterns in the left ventricle could be analysed for different setups. Measurements showed for position I that washout in the apical region was very limited. For two other tested positions washout was sufficient.