Abstract

This study aims to present the Pulse Duplicator System designed and realized at TÜBİTAK Marmara Research Center to investigate the hemodynamical characteristics of the heart valve prostheses and to give the result of the first mechanical prosthesis study.

Hastaların semptom verme yaşının 50-60'lara yükselmesi kapak aparatusundaki hasarın artmasına ve kapağın onarılamaz duruma gelmesine neden olabilmektedir. Bu durumda mekanik ya da biyolojik protez kapaklar gerekmektedir. Protez kalp kapak replasmanlan kabul edilebilir düşük mortalite ile yapılmaktadır. Ancak hem biyolojik, hem de mekanik kapaklarda çeşitli komplikasyonlar ve morbidite sorunları sürmeye devam etmektedir.[2] İdeal protez arayışları sürerken kalp kapak protezlerinin hemodinamik performansı iyileştirilmeye çalışılmaktadır. Bu anlamda iki önemli kriter vardır; efektif orifis alanının (EOA) iyileştirilmesi ve transprostetik gradyant.

Bu çalışmada, kalp kapaklarının in vitro incelenmesi için yapılan bir aygıt incelenmektedir ve bir mekanik kalp kapak protezinin hemodinamik inceleme sonucunu veren ön rapor niteliğindedir.

Methods

Pulse duplicator sistemi, pulsatil akış sağlayan mikroişlemci kontrollü adım motorunun sürdüğü pleksiglastan pistonlu bir pompa, pompanın giriş ve çıkışı arasında kapalı bir çevrim oluşturan sol kulakçık (LA), sol karıncık (LV) simüle eden test odacığı, aortayı simüle eden cam boru, karakteristik direnç, değişken direnç, paralel komplians odası, dearatör ve rezervuardan oluşmaktadır. Test odacığı (LA+LV) sert pleksiglas kutundan oluşmaktadır. Pulsatil akış, ventrikül çıkışında mikroişlemci kontrollü pistonlu pompanın aracılığı ile elde edilmektedir.

Deneyler düzenli ve fizyolojik pulsatil akış şartlarında gerçekleştirilebilir. Düzenli akış hızı: 167-500 ml/s (10-30 litre/dakika), kalp vuruş hızı: 60-140 vuruş/dakika; sistolik süre: 300 ms; ortalama aort basıncı 100 mm Hg olarak gerçekleştirildi.

Pulse duplicator sisteminde kullanılacak olan direnç, komplians değerleri sistemin elektriksel modelinin elde edilmesi sonucunda saptanmıştır. Modelde geliştirilmiş birinci derece Windkessel modeli kullanıldı. Sistemin durum denklemleri yazılıp her parametrenin saptanması için çözüldü. Sistemde Superior electronic marka MO93FD 114 Model, 200 adım/tur step motor kullanıldı. Bu step motoru kontrol edebilmek için 8051 mikrokontrolör kullanıldı. Motora uygun olarak hazırlanan sürücü kartının sürdüğü motor bir krankbiyel mekanizmasıyla pistona bağlıdır. Pistonun stroku 6 santimetredir. Sistol süresi akışkanın sıkıştırılmaz olduğu ve kapaklardaki regürjitasyonun minimum olduğu kabulü ile piston yer değiştirme miktarı debi değişiminin integraliyle orantılı olarak değiştirilmiştir. Buna bağlantılı olarak adım motoruna uygulanacak olan işaretin frekansı belirlenmiştir. Gerekli piston yer değiştirmesini sağlayabilmek için, zaman içinde darbe sıklığı, verilen veri değerleri ile değiştirilebilen darbe kodları bir mikroişlemci aracılığıyla software program dahilinde elde edildi. Basınç ölçümlerinde dinamik köprü hafızalı osiloskop kullanıldı. Şekil 1'de pulse duplicator şeması görülmektedir.

Protez kapakların hidrodinamik özellikleri dört değişik yöntemler incelenebilir;

1) Sabit akım sırasında akım fonksiyonu olarak basınç düşmesi ΔP 2) Tepe pulsatil akımın bir fonksiyonu olarak tepe akımı sonrasında ΔP 3) Ortalama kök-alan akımın fonksiyonu olarak ortalama ΔP 4) Ortalama akımın fonksiyonu olarak ortalama ΔP (hastalarda kullanılan tek yöntem) Daha önce yapılan bu tip çalışmalar ilk yöntemin eşdeğerde olduğunu göstermiştir.[3]

Bu çalışmada protezin hidrodinamik performansı tepe pulsatil akımın bir fonksiyonu olarak tepe akımı sırasında dP olarak ölçüldü.

Ölçüm 5 it/dakika debide, kalp hızı 100 vuruş/ dakika ile simüle edilerek yapıldı.

Efektif orifis alanında (EOA) modifiye Gorlin ve Gorlin formülü temel almdı [4]. EOA aşağıdaki denklemle hesaplandı:

EOA=Q/516 dP

Burada Q debiyi, dP basınç düşüşü göstermektedir. Bu formülden bir deşarj katsayısı olan Cd hesaplanabilir. Cd kapağın iç orifis alanına bağlı olarak hidrolik performansıdır. Efektif orifis alanı ile ölçülen dış montaj alanının oram performans indeksi (PI) olarak ifade edilir. [3,5] İstatistiki incelemede sonuçlar ortalama±stan dart sapma ile ifade edildi; farklar "student-t" testi ile incelendi, P değeri<0.05'in altında anlamlı ka bul edildi.

Pulse Duplicator Sistemi SM: Adım motoru CR: Kara.kteHstik direnç PR: Periferik direnç FC: Akış kanalı C: Komplians

Discussion

Hemodinamik özellikleri iyileştirmek ve protezin ömrünü uzatmak için sürekli çalışmalar yapılmaktadır. Uzun süreli kapak ömrü yalnızca klinik kullanımla saptanabilmekte birlikte, in vitro testler kapak protezler konusunda önemli bilgiler vermektedir.

Bjork-Shiley'in orta ebatlarında EOA geniştir, PI daha iyidir. Protez kapaklarda belirli bir derecede stenoz vardır. Yapılan çalışma ve araştırmalar bu stenozu azaltmaya yöneliktir.

Bizim çalışmamızda pulse duplicator'ün istenen parametreler içinde çalıştığı saptandı. Kullanılan protez kapaktan elde edilen hidromekanik özellikler dünya literatürü verileriyle uyum göstermektedir.

References

1) Loogen F, Horstkotle D: Therapy of valvular heart disease. Bleifeld W, Mathey D; Therapy of Cardio vascular Disease, Thieme, Stuttgart, 1982.

2) Roberts WC: Choosing a substitute cardiac valve. Type size, surgeon, Am J Cardiol 38:633,1976.

3) Gabbay S, McÇueen DM, Yellin EL, Becker RM, Fra- ter RWM: in vitro hydrodynamic comparison of mitral valve protheses at high flow rates. J Thorac Cardiovasc Surg 76:771,1978.

4) Gorlin R, Gorlin SG: Hydraulic formula for calcula- tion of the area of the stenotic mitral valve, other cardiac valves, and central circulatory shunt. Am Heart J 41:1; 1951.

5) Gabbay S, McÇjueen DM, Yellin EL, Frater RWM: in vitro hydrodynamic comparison of mitral valve bi- oprotheses. Circulation 60 (suppl I):162,1979.

6) Spray TL, Roberts WC: Structural changes in porci- ne xenografts used as substitute cardiac valves. Gross and histologic observation in 51 glutaraldehy- de-preserved Hanncock valves in 41 patients. Am } Cardiol 40:319,1977.

7) Hannah H, Reis RL: Current status of porcine hete- rograft protheses: 5-year apprisal. Circulation 54 (suppl III): 27,1976.

8) Karp RB, Cyrus KJ, Blackstone EH, Kirklin JW, Ko- uchoukos NT, Pacifico HD- The Bjork-Shiley valve. J Thorac Cardiovasc Surg 81:302,1981.

9) Craig-Miller D, Oyer PE, Stinson EB, Reitz BA, Jami- eson SW, Bamgarthner WA, Mitchell RS, Shunrvvay NE: Ten to fifteen year reassesment of the perfor- mance characteristics of the Starr-Edvvards model 6120 mitral valve prothesis. J Thorac Cardiovasc Surg 85:1,1983.-