Пассивная оценка эффективности и валидация вязкостного импеллерного насоса для поддержки кровообращения в подлегочном родничке

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12668 (2023) Цитировать эту статью

34 доступа

Подробности о метриках

Пациенты с дефектами одного желудочка, перенесшие операцию Фонтана, в конечном итоге сталкиваются с недостаточностью Фонтана. В настоящее время разрабатываются долгосрочные кавопульмональные вспомогательные устройства с использованием технологий ротационного насоса в качестве подлегочного источника энергии для предотвращения и лечения недостаточности Фонтана. Низкое гидравлическое сопротивление является критическим требованием безопасности в случае отказа насоса (0 об/мин), поскольку умеренное падение кавопульмонального давления на 2 мм рт. ст. может поставить под угрозу гемодинамику пациента. Таким образом, цель этого исследования — оценить пассивные характеристики вязкостного импеллерного насоса (VIP), который мы разрабатываем для пациентов с Фонтаном, и проверить моделирование потока на основе данных in vitro. Две разные высоты лезвия (1,09 мм против 1,62 мм) и пустая модель корпуса были протестированы с использованием имитации контура кровообращения (MCL) с сердечным выбросом в диапазоне от 3 до 11 л/мин. Было проведено трехмерное моделирование потока и сравнено с данными MCL. Результаты in-silico и MCL продемонстрировали падение давления <2 мм рт.ст. при сердечном выбросе 7 л/мин для обеих высот лезвий. Было хорошее согласие между результатами моделирования и MCL по потере давления (средняя разница — 0,23 мм рт. ст., 95% ДИ [0,24–0,71]). По сравнению с моделью глухого корпуса площадь напряжения сдвига на стенках и колебательный индекс сдвига на поверхности насоса были низкими, а среднее время вымывания находилось в пределах 2 с. Это исследование продемонстрировало низкое сопротивление современных конструкций VIP в нерабочем состоянии, что приводит к клинически приемлемой минимальной потере давления без увеличения времени вымывания по сравнению с моделью пустого корпуса при нормальном сердечном выбросе у пациентов Фонтана.

Процедура Фонтана является третьим и заключительным этапом типичной паллиативной хирургической последовательности для детей, родившихся с пороками сердца с одним желудочком. При операции Фонтана нижняя полая вена (НПВ) направляется в легочную артерию (ЛА) через экстракардиальный трансплантат из расширенного политетрафторэтилена (ePTFE) или перегородку внутрипредсердного латерального туннеля. Системный венозный возврат полностью направляется в ПА, образуя полное кавопульмональное соединение (TCPC) после завершения операции Фонтана. Несмотря на значительное снижение ранней смертности после процедуры Фонтана, долгосрочная заболеваемость и смертность остаются проблемой. В основном это происходит из-за неэффективности, присущей унивентрикулярному кровообращению Фонтана, в котором отсутствует функциональный подлегочный желудочек и, следовательно, это приводит к непульсирующему и неэнергетически усиленному потоку крови в легкие. Недавние исследования показали, что недостаточность Фонтана и поздние осложнения являются причиной 30 из 40 смертей, при этом отсутствие поздних осложнений Фонтана составляет только 53% и 31% через 5 и 20 лет соответственно1. Общая 30-летняя выживаемость после пластики Фонтена составляет всего 43% для когорты одного центра из 1052 пациентов2.

Физиология Фонтана обеспечивает почти нормальное насыщение кислородом за счет повышенного системного венозного давления, относительной легочной артериальной гипотензии и снижения сердечного выброса по сравнению с нормальной бивентрикулярной физиологией; эти факторы составляют основу так называемого «парадокса Фонтана». Хроническое и прогрессирующее повышение системного венозного давления, печеночные, кишечные и лимфатические нарушения, пониженный сердечный выброс, повышенное давление заклинивания легочных капилляров и системное сосудистое сопротивление - все это вносит свой вклад в синдромальную совокупность болезни Фонтана3. Интересно, однако, что у значительной части пациентов с нарушением физиологии Фонтана систолическая функция желудочков остается сохраненной4. Это предполагает, что недостаточность Фонтана не является вторичной по отношению к недостаточности первичной помпы, а скорее является вторичной по отношению к хронической депривации преднагрузки, которая, как предполагается, приводит к патологическому ремоделированию желудочков и диастолической дисфункции, которые способствуют прогрессированию поздней недостаточности Фонтана3,5. Другими словами, недостаточность Фонтена не является недостаточностью отдельного желудочка как таковой, а скорее неспособностью заполнить желудочек. Учитывая это, мы предположили, что «парадокс Фонтана» можно обратить вспять, добавив механическое кавопульмональное вспомогательное устройство, способное создавать подлегочное повышение давления на 5–7 мм рт. ст. от полых вен до ЛА, чтобы системное венозное давление можно было снизить. снижается без уменьшения легочного кровотока и системной преднагрузки желудочков, чтобы имитировать нормальное двухжелудочковое кровообращение. Например, у пациентов с Фонтаном желательное условие увеличения напора на 7 мм рт. ст., вызванное применением помпы, может привести к снижению на 2–3 мм рт. ст. на кавальной стороне и увеличению на 4–5 мм рт. ст. на стороне ПА, если предположить, что Давление полой вены равно давлению ЛА до поддержки VIP.6,7,8.