Development and investigations of patient specific models of LVAD assisted hearts for flow field analysis in PIV experiments

Abstract

Linksventrikuläre Unterstützungspumpen (LVADs) sind eine essenzielle Behandlungsmethode für fortgeschrittene Herzinsuffizienz. Obwohl die klinische Ergebnisse solcher Behandlungsformen über die letzten Jahre stetig verbessert wurden, bestehen dennoch einige Probleme. LVADs können durch Veränderung des intraventrikulären Flusses zu einem erhöhten Risiko für Thrombusbildung und andere Probleme führen. Ein sehr wichtiger Aspekt von LVADs ist ihre Position im Ventrikel, welche ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf das Thromboserisiko und andere Aspekte haben kann. Diese Studie präsentiert neue Methoden, mit denen Modelle hergestellt werden können die in Strömungsmechanischen Untersuchungen verwendet werden. Zwei Pumpenpositionen werden innerhalb eines Modells eines linken Ventrikels in einem künstlichen Strömungsaufbau mittels zweidimensionaler Particle Image Velocimetry (PIV) Methoden verglichen.Die Patientenmodelle wurden mittels CT Datensätzen und 3D Modellierungssoftware generiert. Das erste Modell entspricht der in den CT Daten sichtbaren LVAD Position innerhalb des linken Ventrikels des Patienten. Das zweite Modell hat eine modifizierte Pumpenposition zur Spitze des Ventrikels lateral verschoben und verdreht. Die Originalposition entspricht einer diaphragmatischen Position, während die modifizierte Position einer apikalen Position entspricht. Die Untersuchung solcher individuell angepasster Modelle in Strömungsaufbauten mit Pulsatilen Volumen wurde bisher nicht in wissenschaftlichen Publikationen veröffentlicht. Die Experimente wurden mit drei verschiedenen Konfigurationen der Schlagvolumen gemacht, unter anderem mit einer an den klinischen Daten des Patienten angenäherten Einstellung, die zur Zeit der CT-Aufnahme festgehalten wurden. Die Analyse der PIV Resultate soll zeigen, wie sich die Position des LVADs auf das intraventrikuläre Strömungsverhalten und davon abhängigen Parametern wie Stagnation oder Pulsatilität auswirken kann. In den Ergebnissen zeigt die modifizierte Pumpenposition niedrigere Stangation in kritischen Bereichen für das Thromboserisiko. Die größte Senkung der mittleren Stagnation in dem apikalen Bereich liegt bei 53% gegenüber dem in-situ Modell. Gleichzeitig zeigt dieses modifzierte Modell allerdings auch vermehrt niedrigere Pulsatilität in den selben Bereichen.Diese komparative Analyse soll den Einfluss der LVAD-position auf hemodynamischen Parametern zeigen und Einsicht in die komplizierte Interaktion zwischen LVAD und dem linken Ventrikel geben. Diese Resultate zeigen, dass es wichtig sein könnte, die LVAD Position mithilfe von individuellen Faktoren wie Ventrikulärer Geometrie vor einer Implantation anzupassen, da verbesserte Ergebnisse in Bezug auf Thromboserisiko und anderen Problemen zu erwarten sein könnten.

Left Ventricular Assist Devices (LVADs) are an essential therapy for end-stage heart failure patients. Although 2 year survival rates have steadily increased since early generation LVADs, some problems remain. LVADs influence the intraventricular flow and can lead to increased risk of thrombus formation and other adverse events. One crucial aspect of LVAD therapy is implantation position, which can also influence thrombogenic risk and patient outcomes. This study seeks to demonstrate novel methods for generating flow phantoms from CT images of LVAD supported Left Ventricles and to compare two possible pump positions in a patient specific left ventricular model using two-dimensional Particle Image Velocimetry (PIV) experiments in a mock circulatory loop (MCL) setup. The Patient specific models were created via Computed Tomography (CT) and three-dimensional processing software. The first model matches the position and angle of the LVAD found in the CT images (in-situ). The in situ position represented a diaphragmatic implantation position, while the modified position of the second model corresponds to an apical configuration. Additionally, the novel patient specific model creation process and subsequent PIV analysis with contractile wall movement have not been reported in scientific literature in the past. The experiments were performed with several contractility settings, including a patient specific hemodynamic profile, which matches the clinical parameters of the patient at the time of imaging. Analysis of PIV data can provide insight into the hemodynamic behavior associated with each pump position, including general velocity fields and specific pulsatility and stagnation parameters.The modified pump position showed lower stagnation in the apical region in the entire apex, which is critical for thrombus formation. The largest decrease in mean SI that was observed in the apex inside a single plane corresponded to a reduction by 53%. Pulsatility was, however, not generally improved for this pump position and shows several cases where it was in fact decreased.This comparative analysis demonstrates the impact of LVAD position on hemodynamic parameters and provides some insight into the complicated nature of LVAD and LV interactions. These findings suggest that it could be beneficial to investigate individual LVAD placements based on patient specific factors such as ventricular geometry pre-operatively, which could improve patient outcomes.