MRI based characterization of flow phenomena in Ventricular Assist Devices
Final Report Abstract
Es wurden neue Modellsysteme etabliert, welche bezüglich der Komplexität und Flexibilität im Vergleich zum bisherigen Setup deutlich erweitert sein sollten um somit verschiedene realistische Szenarien Systems Herz–VAD besser simulieren zu können. Damit sollte zum einen eine systematische Evaluierung des VADs in Bezug auf Geometrie und 3D-Strömung erfolgen sowie der Charakterisierung der Klappen und Kanülenarten. Zum anderen sollte aber auch die 3D-Strömung im gesamten Modellsystem verschiedener Szenarien erfasst und analysiert werden um den Einfluss von VAD-Typen und deren Verbindung zum Herz-Kreislauf-System sowie der Elastizität der Gefäßwand im Modell auf die Strömungsverteilung besser zu verstehen. Die wichtigsten Projektteile sind im Folgenden zusammengefasst: In einem der entwickelten Modellsysteme wurde mit einem pulsatilen VAD ein geschwächtes Herz simulierte und ein VAD mit kontinuierlichem Support an ein Aortenmodell angeschlossen. In diesem Setup wurden drei verschiedene Kanülenpositionen - wie sie alle in chirurgischen Interventionen angewendet wurden - jeweils mit verschiedenen VAD-Betriebsbedingungen (Support-Raten und Output-Raten des geschwächten Herzen) gemessen und die Flussverhältnisse im gesamten System analysiert sowie Flussraten und retrograde Flussanteile in vordefinierten Ebenen untersucht. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die unterschiedlichen Kanülenpositionen einen deutlichen Einfluss auf die Hämodynamik in der Aorta haben. Beste Resultate in Bezug auf retrograde Flüsse, Stase und Flussturbulenzen wurden bei einem Anschluss an die aufsteigende Aorta mit weiter Anastomose beobachtet. In einem weiteren Modellsystem erfolgte der Support über die rechte Armarterie retrograd über die Arteria brachiocephalica in den Aortenbogen. Hier war die insbesondere Frage von großem Interesse inwiefern die Art der Versorgung die Flussverhältnisse in den hirnversorgenden Gefäßen beeinflusst. 4D-Flussdaten wurden aufgenommen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen für das "echte" VAD (mit kontinuierlichem Support) und für das das geschwächte Herz darstellende pulsatile VAD. Die Flusscharakteristika haben gezeigt, dass die rechte Karotis ausschließlich von dem VAD (mit kontinuierlichen Fluss) für alle Betriebsbedingungen versorgt wurde und die hirnversorgenden Gefäße nur geringfügig von unterschiedlichen Betriebsbedingungen beeinflusst werden.
Publications
- 4D MRI Flow Analysis in an in-Vitro System Modelling Continuous Left Ventricular Support: Effect of Cannula Position in the Thoracic Aorta. Proceedings of the 21st Annual Meeting of ISMRM, Salt Lake City, 2013
C. Benk, A. Mauch, F. Beyersdorf, R. Klemm, J. Korvink, M. Markl, B. Jung
- An experimental setup to simulate the magnetohydrodynamic (MHD)-effect with respect to intra cardiac ECG signals. Proceedings of the 21st Annual Meeting of ISMRM, Salt Lake City, 2013
W. Buchenberg, R. Lorenz, P. Laudy, W. Mader, C. Bienek, B. Jung
- Effect of cannula position in the thoracic aorta with continuous left ventricular support: fourdimensional flow-sensitive magnetic resonance imaging in an in vitro model. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, Vol. 44. 2013, Issue 3, pp. 551-558.
C. Benk, A. Mauch, F. Beyersdorf, R. Klemm, M. Russe, P. Blanke, J. Korvink, M. Markl, B. Jung
(See online at https://doi.org/10.1093/ejcts/ezt095) - From jet turbines to human hearts: fluid dynamics mapping with MRI. 11th World Congress on Computational Mechanics, Barcelona, 2014
B. Jung, C. Benk, S. Grundmann
- Investigation of a ventricular assist device (VAD) in an in vitro model system using 4D-phase contrast MRI. Proceedings of the 22nd Annual Meeting of ISMRM, Milano, 2014
C. Müller, W. Buchenberg, C. Benk, R. Lorenz, S. Berner, B. Jung
- Simulation of 3D flow characteristics in realistic in vitro models with flexible vessel wall. Proceedings of the 22nd Annual Meeting of ISMRM, Milano, 2014
R. Lorenz, S. Berner, C. Müller, M. Markl, B. Jung
- An in vitro study to simulate the intracardiac magnetohydrodynamic effect. Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 74. 2015, Issue 3, pp. 850–857.
W. Buchenberg, W. Mader, G. Hoppe, R. Lorenz, M. Menza, M. Büchert, J. Timmer, B. Jung
(See online at https://doi.org/10.1002/mrm.25456) - Investigation of Hemodynamics in an in Vitro System Simulating Left Ventricular Support through the Right Subclavian artery using 4D flow MRI. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery, Vol. 150. 2015, Issue 1, pp. 200–207.
B. Jung, C. Müller, W. Buchenberg, M. Ith, D. Reineke, F. Beyersdorf, C. Benk
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jtcvs.2015.02.048)
