In vitro Kavitationsuntersuchungen an mechanischen Herzklappenprothesen

Eichler, Michael Johannes; Rau, Günter

doi:25365

In vitro Kavitationsuntersuchungen an mechanischen Herzklappenprothesen

Eichler, Michael Johannes (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Johannes Eichler

ImpressumBerlin : Logos-Verl 2003

UmfangGetr. Zählung : Ill., graph. Darst.

ISBN3-8325-0398-6

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-06-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-7379
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61969/files/Eichler_Michael.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Künstliche Herzklappe (Genormte SW) ; Kavitation (Genormte SW) ; In vitro (Genormte SW) ; Medizin (frei) ; Kavitation (frei) ; Mechanisch (frei) ; Herzklappe (frei) ; Maschinenbau (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Die Kavitation an Herzklappen stellt mit ihrem hohen Schädigungspotential nach wie vor eine zu lösende Aufgabe dar. In der vorgelegten Arbeit wurden – in Fortführung der Studien von Graf et al. – zahlreiche Untersuchungen der Kavitation, insbes. der „harten” Dampfkavitation, an mechanischen Herzklappenprothesen durchgeführt mit dem Ziel der Beschreibung der Kavitation selbst und der Einstufung der verschiedenen Herzklappen bezüglich deren Kavitationsneigung. Zur Einstufung der Kavitationsneigung von mechanischen Herzklappen in Anlehnung an die Vorschriften und Verfahren der amerikanischen Gesundheitsbehörde (FDA) mittels geeigneter Messverfahren sind zahlreiche Messreihen an verschiedenen Herzklappen durchgeführt worden. Es wurde außerdem ein Modell entwickelt zur Bestimmung der zeitabhängigen physikalischen Eigenschaften (Größe, Druck, Temperatur) von Kavitationsblasen. Für die Einstufung der Kavitationsneigung der Herzklappenprothesen wurde ein pulsatiler und hydraulisch aktivierter Kreislaufsimulator, der physiologische Einstellungen in einem weiten Bereich erlaubt, verwendet. Neben der Messungen der hämodynamischen Größen und der Erfassung der Kavitationsblasen mit einer CCD-Kamera in Kombination mit einer Lichtblitz-Einheit, wurde die Schließgeschwindigkeit der Klappensegel anhand eines Lichtschrankenverfahrens und eines Laserstrahlverfahrens gemessen. Darüber hinaus wurden zahlreiche zeitlich hochauflösende Druckmessungen, insbesondere die für die Initiierung der Kavitation notwendige Druckabsenkung gemessen. Diese Druckmessungen wurden bei verschiedenen Belastungseinstellungen über dem Umfang der Herzklappen erweitert (kreisförmige Druckmessungen), um Aufschlüsse über kritische Stellen der einzelnen Herzklappen zu ermitteln. Für die Untersuchungen der Blasendynamik wurde ein zweiter pulsatiler und elektro-magnetisch aktivierter Kreislaufsimulator konzipiert und aufgebaut. Dieser Kreislaufsimulator ermöglicht verschiedenste Parameterstudien durchzuführen. Es wurden dabei eine Reihe von Parametern untersucht und deren Einfluss auf die Kavitation bestimmt. Dazu wurden diese Parameter in drei Gruppen unterteilt: fluidabhängige Parameter, belastungsabhängige Parameter und klappenspezifische Parameter. Für die fluidabhängigen Parameter wurde der Einfluss der Dichte, der Viskosität und der Temperatur des Fluids (Wasser) auf die Kavitation in vitro bestimmt. In Bezug auf die belastungsabhängigen Parameter konnte eine klappenunabhängige kritische Schwelle der Druckabsenkung (lokale Atriumdruckabsenkung) bei Schwelle der Kavitation für alle verwendeten Herzklappen bestimmt werden. Weiterhin konnte auch eine klappenabhängige Korrelation zwischen dieser kritischen Druckabsenkung und der linksventrikulären Druckanstiegsgeschwindigkeit hergeleitet werden. Schließlich konnten auch klappenspezifische Parameter aufgezeigt werden, mit denen Aussagen über die Kavitationsneigung einer Herzklappe getroffen werden können. Die Kombination all dieser Parameter ermöglicht damit die Validierung der Herzklappe in Bezug auf deren Kavitationsneigung. Zusätzlich wurde mittels einer digitalen Hochgeschwindigkeitsvideokamera (bis zu 40500 Bildern/Sekunde) zahlreiche Kavitationsereignisse an allen verwendeten Herzklappen unter verschiedensten Bedingungen erfasst und ausgewertet. Anhand dieser Ergebnisse konnte die Kavitationsblasendynamik untersucht werden und erlaubten Aussagen über die zeitabhängigen Kavitationsblasengrößen zu treffen. Mit Einführung eines geeigneten Modells und idealisierter thermodynamischer Prozesse konnten somit Rückschlüsse auf die physikalischen Größen der Kavitationsblasen gezogen werden. Insbesondere konnten die beim Blasenkollaps erreichten hohen Drücke und Temperaturen ermittelt werden. Im Hinblick auf die Detektierung von Kavitationsblasen in vivo wurden weitere Erfassungsmethoden der Kavitationsblasen (Wärmebildtechnik, Restlichtverstärkung) auf deren Eignung in vitro untersucht. Jedoch zeigte sich, dass die Visualisierung der Kavitationsblasen mit der Hochgeschwindigkeitstechnologie nach wie vor die geeignetste Detektierungsmöglichkeit darstellt.

Cavitation at mechanical heart valves with it's character of impairment still represents a major task. In this dissertation -in continuation of the studies of Graf et al. -several investigations of cavitation, in particular of "severe" vapor cavitation, were conducted in order to describe the phenomenon of cavitation itself and to classify various mechanical heart valves with respect to their tendency of cavitation. For classification of mechanical heart valves, numerous tests with qualified measuring methods were carried out according to the regulations and procedures of the U.S. Food and Drug administration (FDA). Furthermore, following the results of the measurements, a model was developed for determination of time-dependent physical properties and dynamics of cavitation bubbles, such as size, pressure and temperature. In order to classify the tendency of cavitation of mechanical valves, a pulsatile hydraulic-driven circularly mock loop was used here. Beside the measurement of the relevant hemodynamic values and the acquisition of cavitation bubbles by means of a CCD-camera in combination with a flashlight-unit, the leaflet velocity of the valves were determined with a light-barrier-technique and with a laser-beam-method. In addition, numerous high resolution pressure measurements, in particular the pressure drops necessary for the initiation of cavitation (local atrium pressure drop), were performed. These pressure measurements (orbicular pressure measurements) were extended at various loading conditions over the periphery of the valves in order to get information about critical locations, where cavitation occurs more likely. For the investigation of bubble dynamics, a second pulsatile electro-magnetic-driven tester was designed and built-up. This tester allows miscellaneous parameter investigation. Here, a series of parameters and their influence on cavitation was analyzed. The parameters were split up in three groups: fluid parameters, loading parameters and valve specific parameters. For the fluid parameters, the influence of density, viscosity and temperature of the fluid (water) on the onset of cavitation was investigated in vitro. With respect to the loading parameters, a critical valve independent threshold (cavitation-threshold) of the local atrium pressure drop was found for all measured valves. Further on, a valve dependent correlation between left ventricular pressure gradient and the local atrium pressure drop was also provided. Finally, valve specific parameters were found to predict the tendency of cavitation for a specific heart valve. The combination of these parameters facilitate the validation of the tendency of cavitation. Additionally, several cavitation events were recorded with a digital high-speed video camera (up to 40.500 Frames Per Second) for all investigated heart valves and at different conditions. The images were stored and analyzed. Therefore, cavitation bubble dynamics could be examined more accurate in order to measure the time dependent bubble sizes. The implementation of a suitable model and ideal thermodynamic processes allows conclusions of the physical values of the bubbles. In particular, the high pressures and temperatures at bubble collapse, which reflect the destructive character of cavitation, could be determined. In view of the detection of cavitation bubbles in vivo, further acquisition methods (thermal image technique, light amplification) were checked. However, the acquisition technique with a digital high-speed video camera still represents the most suitable detection method of cavitation bubbles.

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