Development of cardiovascular mock loop for mitral valve repair device testing and training purposes

Abstract

As cardiovascular disease is the leading cause of death worldwide, a fair amount of research has been done in this field in the last decades. In order to understand the behavior of the cardiovascular system, mechanical models of the cardiac system have been developed.These so called Mock Circulatory Loops (MCLs) can be used for replication of hemodynamics inside the cardiovascular system and act as a testbed for cardiovascular device testing in vitro. Various states of cardiovascular conditions should be replicable, each adjustable individually to the test-devices needs.In this work an MCL was designed and developed for mitral valve repair device testing.The tested device was the Mitral Butterfly 4 / MB4 (AVVie GmbH, Vienna, Austria), a novel mitral valve repair device that is intended to treat mitral prolapse, a sub-form of mitral insufficiency. The device was tested in a cadaverous porcine heart that is incorporated in the MCL. The MCL developed during this work uses a piston pump to actuate the left side of the heart and is a close representation of the systemic circulatory system. Thus it includes an arterial Windkessel model and a systemic resistance element. Design ofcomponents was done according to calculations and literature research. The pressures in the most important structures of the left side of the heart (left atrium, left ventricle and aorta) could be measured and analyzed.The MCL was extended by endoscopes, screens and additional equipment, to make it a simple work station operable by one person. During this work the setup and connection of elements was changed multiple times until the result and practicability was satisfying. For implant insertion, several access sites were designed until the most useful one was chosen.After completing the MCL design and development, an experiment comparing different mitral valve states was conducted. Four different states were compared: healthy mitral valve, prolapsing mitral valve, MB4 on prolapsing mitral valve and a surgical procedure called Alfieri stitch. The results of the experiments are presented in this work. This workalso shows how MCLs play a vital role in mitral valve implant development.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache. Deshalb wurden in den letzten Jahrzehnten zahlreiche Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet durchgeführt. Um das Verhalten des kardiovaskulären Systems zu verstehen, wurden mechanische Modelle des kardialen Systems entwickelt, sogenannte Mock Circulatory Loops (MCLs), die zur Nachbildung der Hämodynamik innerhalb des kardiovaskulären Systems verwendet werden können und als Testumgebung für kardiovaskuläre Gerätetests in vitro dienen. In dieser Arbeit wurde ein MCL für die Prüfung von Mitralklappenreparaturgeräten entworfen und entwickelt. Mit diesem Testkreisluaf wurde der Mitral Butterfly 4 / MB4 (AVVie GmbH, Wien, Österreich) getestet, ein neuartiges Mitralklappenreparatur-System, das für die Behandlung des Mitralprolaps, einer Unterform der Mitralinsuffizienz, vorgesehen ist. Dazu wurde das Reparaturset wurde in einem Schweineherz aus dem Schlachthof getestet, das in den Testkreislauf eingebaut wurde. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte MCL verwendet eine Kolbenpumpe, um die linke Seite des Herzens anzutreiben. Zur Nachbildung des systemischen Kreislaufsystems umfasst es ein arterielles Windkesselmodell und ein Element für den systemischen Widerstand. Die Auslegung der Komponenten erfolgte anhand von Berechnungen und Literaturrecherchen. Die Drücke in den wichtigsten Strukturen der linken Herzseite (linker Vorhof, linke Herzkammer und Aorta) wurden gemessen und die Funktion des Mitralklappenreparatursystems damit analysiert. Das Kreislaufmodell wurde sodann mit Endoskopie, Bildschirm und Auswertung erweitert, um es zu einem einfachen, von einer Person bedienbaren Arbeitsplatz zu machen. Während dieser Arbeit wurde der Aufbau und die Verbindung der Elemente mehrfach geändert, um die besonderen Anforderungen und auch die speziellen Unterschiede des Schweineherzens zum menschlichen Herzen zu berücksichtigen. Schließlich wurden vier verschiedene Zustände der Mitralklappe in ihrer hämodynamischen Wirksamkeit verglichen: Gesunde Mitralklappe, prolapsierende Mitralklappe, MB4 auf prolapsierender Mitralklappe und ein chirurgisches Verfahren namens Alfieri-Stich. Die Ergebnisse der Experimente werden in dieser Arbeit vorgestellt. Diese Arbeit zeigt auch, welch wichtige Rolle Testkreisläufe bei der Entwicklung derartiger Methoden spielen.