Fontan Pro

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Hintergrund

Das Versagen der Fontan-Zirkulation ist seit einigen Jahren Thema vieler Studien. Unter Fontan-Versagen sind alle Komplikationen und Symptome zusammengefasst, die aus der Modifizierung des Kreislaufs bei Patienten mit nur einer funktionsfähigen Herzkammer entstehen. Die häufigste Form hierbei ist die Herzinsuffizienz. Die üblichen Therapieansätze bei Patienten mit Herzinsuffizienz haben sich allerdings bei Fontan-Patienten als wenig wirkungsvoll herausgestellt. Der Einsatz mechanischer Unterstützungssysteme führte nur in Einzelfällen zum Erfolg und bislang konnten keine geeigneten Therapiemethoden für die Behandlung von Fontan-Versagen identifiziert werden.

Die individuell adaptierbare Fontan-Prothese in Kombination mit einem Herzunterstützungssystem stellt eine neue und innovative Therapiemöglichkeit dar. Hierbei ist jedoch nicht nur die Lage und Größe der Prothese selbst entscheidend, sondern auch die strömungstechnischen Aspekte der pulsatilen Unterstützungsform durch die Berlin Heart EXCOR® Systeme. Hohe Fließgeschwindigkeiten in zu eng dimensionierten Geometrien führen zu Scherkräften, die eine Zellschädigung des Blutes bedingen. Über einen längeren Zeitraum anhaltend geringe Geschwindigkeiten resultieren in einer Blutstagnation (Stase), die die Thrombenbildung begünstigen. Diese negativen Einflüsse müssen vermieden und daher grundlegend erforscht werden. Bisher gibt es keinerlei Untersuchungen mit dem Fokus auf eine optimale Strömungsführung in Zusammenhang mit diesem innovativen Therapieansatz.

Projektziel

In diesem Projekt wird ein Simulationsmodell zur strömungsdynamischen Optimierung einer individuell adaptierbaren Prothesengeometrie für die Fontan-Zirkulation unter Einsatz eines Herzunterstützungssystems erarbeitet und mit experimentellen Daten validiert werden. Anschließend sollen für Anatomie, Herstellungs- und Strömungsführung relevante Parameter im Hinblick auf eine optimale Geometrie diskutiert und ausgearbeitet werden.

Der Verbund dieses Vorhabens besteht aus drei Partnern. Die Untersuchung der Blutflüsse innerhalb der Prothese wird durch die RWTH durchgeführt.

Methodik

Die Erarbeitung einer optimalen, individuell adaptierbaren Prothesengeometrie mit Hilfe der numerischen Analyse kann eine Vielzahl relevanter Patienten, Betriebs- und Designparameter berücksichtigen. Studien mit dem Fokus auf der Strömungsführung für eine für die Fontan-Zirkulation angepassten Prothese im Zusammenspiel mit einem Unterstützungssystem sind bislang nicht bekannt.

Das angedachte Strömungsmodell beinhaltet die Einbindung einer dreidimensionalen Strömungssimulation der Prothese in ein eindimensionales Lumped-Parameter Kreislaufmodell. Hiermit wird eine Simulations-Plattform geschaffen, die eine flexible Betrachtung unterschiedlichster Parameter erlaubt. Das kombinierte Simulationsmodell soll im Rahmen einer umfangreichen Parameteranalyse im Hinblick auf die individuellen Patientenparameter untersucht werden. Hierbei spielen vor allem die Durchmesser und Längen der verwendeten Prothesen Geometrien, sowie die Position und Gestaltung der Anbindung zur Pumpeinheit eine wichtige Rolle. So sollen Aussagen und Kriterien für eine möglichst stagnationsfreie und blutschonende Strömungsführung innerhalb der Prothese bei geringem Druckverlust erreicht werden, wofür eine über mehrere Pumpzyklen zeitaufgelöste Analyse der Strömungsbewegung innerhalb der Prothese notwendig ist.

Die Aussagekraft des Strömungsmodells soll durch eine Validierung der Simulationsergebnisse mittels Particle Image Velocimetry (PIV) Messungen aus Laborversuchen verstärkt werden. Die Modellvalidierung stellt einen wichtigen Teilaspekt dieses Teilvorhabens dar.

Über einen geeigneten Algorithmus sollen zudem die unterschiedlichen Strömungs-, Anatomie- und Fertigungsanforderungen bewertet und zu einem optimalen Design zusammengeführt werden.

Ausblick

Die im Rahmen des Teilprojekts gewonnenen Erkenntnisse finden Einsatz bei der finalen Charakterisierung der Demonstratoren. Hier sollen Parametersensitivitäten und die teils konträr zueinanderstehenden Optimierungskriterien anhand eines Bewertungsschemas diskutiert werden. Die Ergebnisse werden somit zu neuen Erkenntnissen und individuellen Lösungsansätzen führen, die ebenfalls auf weitere Anwendungsfelder in der Medizintechnik übertragbar sind.

Kooperationspartner
  • Berlin Heart GmbH
  • Herz- und Diabeteszentrum NRW
  • Universitätsklinikum Ruhr-Universität Bochum
Förderer Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)