Abstract

The Second application report of Pulse Duplicated System designed and realized at TÜBİTAK Marmara Research Center to investigate the hemodynamial characteristics of the heart valve prothesis is presented.

In our study we measured the opening gradients of 29 St.Jude and Björk-Shiley mitral valves and calculated the effective orifice area. Our findigs correlate well with the literature values of this valves.

Kalp kapak protezleri 1960’lı yıllardan beri kullanılmaktadır. Günümüzde en sık kullanılan protez kapak tipleri: top-kafes; disk-kafes; tilting disk, biliflet ve doku biyoprotezleridir. Otuz yıllık deneyime karşın kalp kapak protezlerine ilişkin sorunlar tam anlamıyla çözümlenememiştir. En sık karşılaşılan sorunlar tromboembolizm vejetasyon, enfeksiyon, etek dikişlerinde yırtılma, eritrosit yıkımı, materyal yorgunluğuna bağlı kapak yetmezliği ya da kimyasal değişikliktir. Ayrıca kapağa komşu damarda endotel hasarı ve kapağın yeterli şekilde kapanmamasından doğan kaçaklarda olabilir. Tromboembolizm, vejetasyony eritrozit hasarı ve endotel hasarı doğrudan sıvı dinamiklerine bağlıdır.

Doku biyoprotezleri ilk ortaya çıktıklarında ideal kalp kapak protezleri olarak düşünüldüler; en büyük avantajları tromboembolik komplikasyon oranının düşük olması idi. Ancak doku biyoprotezleri basınç gradyanlarının yüksek olması, kapak lifletlerinde jet akımı, lifletlerde materyel yorgunluğu ve liflet yırtılması ve özellikle çocuklarda lifletlerin kalsifikasyonu gibi bazı dezavantajlara sahiptir. Biyoprotezlerin bu sakıncaları yeni mekanik protezler yapmak ya da mevcut mekanik protezlerin özelliklerini derinlemesine inceleyerek sakıncaları ortadan kaldırmaya yönelik çalışmaları teşvik etmektir. Halen kullanılmakta olan pek çok hidromekanik yöntem vardır. Bunlara temel oluşturan çalışmaları aşağıda özetleyeceğiz .

Kardiyovasküler araştırmalar yapmak amacıyla çeşitli hidromekanik sistemik dolaşım modelleri tasarımları yapıldı ve imal edildi. Pawel [1] kendi modelinde pistonla açılan bir diyafragma modeli kullandı ve sıvı dolu bir tüple pülsatil akımın dalgalanmalarının tabiatını araştırdı. Reul[2] yapay bir sol venkrikül ile pistonlu bir pompayı sıvı yüzeyi ile temas ettirdi ve bu hidromekanik yapay kalp modeliyle protez kapak testleri yapıldı. Van “Steenhoven kendi modelinde düzenli hava basıncı ile piston hareketi sağlayan bir sol ventrikül sistemi geliştirdi [3]. Yoganathan santrifügal bir pompayla akım deneylerini yaptı [4,5] ve hava basıncı ile piston hareketi sağlayan bir sol ventrikül sistemiyle sıvı süturunu harekete geçirdi ve inceledi.

Bizim amacımız kendi hidromekanik sistemimizde çeşitli kapakları incelemektir.

Methods

TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi’nde yapılan ve üretilen sistem, sürücü mekanizmadan, piston pompadan, dolaşım tüpünden ve ölçüm aletlerinden oluşur. Pompa pleksiglas bir kutudan ve iki açıklıktan oluşur, açıklıklardan biri mitral kapak protezinin takılı olduğu test odacığına; diğeri ucunda aort kapağının takılı olduğu aortu simüle eden boruya bağlıdır. Pulsatil akım hareketi bir mikroişlemci ile kontrol edilir. Biz kendi sistemimizde mikroişlemci olarak İntel 6531 kullanıyoruz. Sistemde Superior electronic marka M093-FC 114 model, 200 adım/tur step motor kullanılmaktadır. Adım motorun lineer adım özellikleri yüksek olduğu için, “feedback”e gerek olmamıştır.

Sistemin amacı sol atriyum, sol ventrikül ve aortu simüle etmektir. Sol atriyum ve sol ventrikülü simüle eden odacık pleksiglastan yapılmıştır ve mitral protez kapağın her açıdan görülebilmesine olanak sağlar. Mitral kapak protezi, farklı ebatlardaki protez kapakların kolayca takılmasına olanak sağlayabilecek bir tutucu mekanizma üzerine takılmaktadır. Sistemde kullanılan tuzlu sıvı test odacığından çıkmakta ve pompaya girmektedir. Sistem Yoganathan’ın kullanıldığı sisteme benzemektedir, ancak Lucite boru yerine cam kullanılmaktadır. Akım kanalı üç bölümden oluşur. İlk bölüm sol ventrikül çıkım yolunu ve aortu temsil eder, ikinci bölüm aort kökünün ve Valsalva sinüslerinin simülasyonudur, bu bölüm Yoganathan’ın modelinde olduğu gibidir. Son kısım asandan aortu temsil eder. Aort kapağı inlet kısımla kalp kapak odacığı arasına yerleştirilebilir.

Akım ölçümleri fizyolojik tuzlu sıvı ile yapılmaktadır. Akım hızı 167-500 m/san (10-30 1/dak) düzeyinde tutulmaktadır. Tüm pülsatil akım deneyleri kalp hızı 60-140 vuru/dak düzeyinde tutularak yapılmaktadır. Sistolik süre 30 milisanıye ve ortalama aort basıncı 100 mmHg düzeyindedir, kalp debisi 42 ila 125 ml/sn (2.5-7.5 litre/dk) arasında değişmektedir. Bu akım ve basınç özellikleri fizyolojik şartları simüle etmektedir.

Tüm ölçümler “System 4000 from Instruments Division, Measurement Group; Motorola MPX 5100 DP basınç transdüseri kullanılarak yapılmaktadır.

Bu çalışmada protez kapağın hidromekanik özelliği “Tepe pülsatil akımın bir fonksiyonu olarak tepe akımı sırasında P ölçümü yapılarak incelenmektedir. Her kapak için şu ölçümler yapılmaktadır.

1.Dinlenme ve efor şartlarını temsil eden 60 ila 140 atım/dakika ve 5lt /dak debisinde ortalama P ölçümü.

2. Gorlin ve Gorlin formülünün modifikasyonu temel alınarak efektif orifis olanı (EOS) hesaplanır. Bu denklem EOS-Q/51.6Vp’dir.

Burada Q akımı temsil etmektedir.

Sonuçlar ortalama ± standart sapma ile ifade edilmektedir. Farklar student-t testi ile incelenmektedir. p<0.05 anlamlı kabul edilmektedir.

Discussion

Protez kalp kapakları kullanıma girdiklerinden bu yana çeşitli sorunlar çıkarmaktadır[6,7]. Mekanik kapakların temel dezavantajı tromboembolizm ve antikoagülasyona bağlı sorunlardır[3,4]. Buna karşın biyolojik kapaklar özellikle küçük ebatlarda yüksek basınç gradyanları gösterirler[8,9]. Protez kalp kapaklarının değerlendirilmesinde in vitro çalışmalar sürdürülmektedir. Biz de Marmara Araştırma Merkezi bünyesinde çalışmalarımızı sürdürmekteyiz.

Çeşitli çalışmalar St. Jude protez kapağın iyi bir hidrodinamik performansı olduğunu göstermektedir [5]. Orta ve geniş ebatlarda, efektif orifis alanı geniştir (EOS), gradyan ve regürjitasyon fraksiyonu düşüktür. Efektif orifis alanının, takılma yüzeyine oranı olarak ifade edilen PI (performans indeksi)iyidir, bu nedenlerle St. Jude mekanik protez kapağının hidrodinamik performansı iyi kabul edilmektedir.

Björk-Shiley protez kapakların son tiplerinde efektif orifis alanı (EOS) ve performans indeksi (PI)orta ebatlarda daha iyi bulundu. Yeni Björk-Shiley modelinde liflet açılma açısı daha geniştir ve bu nedenle öne doğru akıma direnç daha azdır, ancak regürjitasyon akımı (RF) daha yüksektir [3,10].

Biz çalışmamızda St. Jude ve Björk-Shiley 29mitral kapaklarda açılma gradyanlarını ölçtük. Bulgularımız bu kapakların in vitro çalışmalarında verilen değerlerle uyumludur.

Bundan sonraki in vitro çalışmalarda açılma gradyanı ve alanına ek olarak regürjitasyon fraksiyonu, performans indeks, biokompatibilite, takılma kolaylığı, trombojenik özelliğin az olması, süreklilik ve gürültünün incelenmesinin yararlı olacağı kanaatindeyiz.

References

1) Pawel HE: Experimental investigation of the turbulence in the context of arteriel hemodynmics. Ph.D. Thesis, Rutgers Universty, New Jersey, 1974,

2) Reul H: Hydraulic analog model of the systemic circulation designed for fluid mechanical studies in the left heart and systemic arteries. Advances in Cardiovascular Physics 5 IV;43, 1938.

3) Van Steenhoven AA, Van Duppen JÜG, Cauwenberg JWG, Van Renterghem RJ: In vitro closing behavior of Bjork-Shiley, St. Jude and Hancock heart valve prostheses in relation to the in vivo recorded aortic valve chosure. Journal Of Biomechanics 15: 841,1982.

4) Yoganathan AP, Corcoran WH: In vitro velocity measuretemnts in the vicinity of aortic prosthesis. Journal of Biomechanics 12:135, 1979.

5) Yoganathan AP, Corcoran WH, Harrison EJ: Pressure drop across prosthetic aortic heart valves under steady and pulsatile flow in vitro measurements. Jurnal of Biomechanics 12:153, 1979.

6) Loogen F, Horstkotle D: Therafy of valvular heart disease. Bleifield W,mathey D:Therapy of Cardiovascular Disease, Theime, Stuttgart, 1982.

7) Robert WC: Choosing a substitute cardiac valve. Type size, surgeon, Am J Cardiol, 38:663, 1976.

8) Gabbay S, Mc Queen DM,Vellin EL, Frater RWV:Invitro hydrodynamic comparison of mitral valve bioprotheses. Circulation 60(suppl l):162,1979.