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In vitro Kavitationsuntersuchungen an mechanischen Herzklappenprothesen

Michael Johannes Eichler

ISBN 978-3-8325-0398-7
175 pages, year of publication: 2003
price: 40.50 €
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,
- 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.

Keywords:
  • Kavitation
  • Mechanisch
  • Herzklappe
  • In Vitro
  • Maschinenbau

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