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Title
Physiologic effects of rotary blood pumps / eingereicht von Peter Voitl
AuthorVoitl, Peter
CensorSchima, Heinrich ; Wieselthaler, Georg ; Gilly, Hermann
Published2008
Description117 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Med. Univ., Diss., 2008
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Kreislaufunterstützung / Rotationspumpen / LVAD / Physiologie / Arrhytmien / Tierversuch / Koronardurchblutung
Keywords (EN)cardiac assistence / rotary blood pumps / LVAD / physiology / arrhythmias / animal trial / coronary circulation
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-7005 Persistent Identifier (URN)
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Physiologic effects of rotary blood pumps [0.84 mb]
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Abstract (German)

Die Verwendung axialer Blutpumpen zur Unterstützung des Herzens bei fortgeschrittenem Herzversagen nimmt zu, einerseits aufgrund der steigenden Prävalenz von Herz- und Kreislauferkrankungen, andererseits aufgrund der Verfügbarkeit von kleinen und klinisch anwendbaren axialen Pumpen. Diese Systeme finden entweder Verwendung als Herzunterstützung im Rahmen der Überbrückung und Vorbereitung auf eine Herztransplantation; andererseits um die Erholung des Herzens zu unterstützen. Axiale Blutpumpen zeichnen sich durch einen niedrig pulsatilen oder sogar non-pulsatilen Blutfluss aus, was zahlreiche Fragen zur Physiologie aufwirft.

Im ersten Teil dieser Dissertation wird ein Überblick über die Herzkreislaufunterstützung mittels Kunstherzen gegeben und anhand der aktuellen Literatur die Physiologie eines Kreislaufs mit herabgesetzter oder fehlender Pulsatilität beschrieben. Im zweiten Teil werden eigene wissenschaftliche Arbeiten zum Thema präsentiert. Das erste Projekt behandelt den Effekt einer axialen Blutpumpe auf die koronare Durchblutung, den myocardialen Sauerstoffverbrauch und den pulmonalen Blutfluss bei Schafen. Eine in vivo Untersuchung wurde an 10 Schafen durchgeführt, um koronare Durchblutungsparameter wie auch die Druck- und Blutflussverhältnisse sowohl mit als auch ohne Unterstützung mit axialen Blutpumpen invasiv zu messen und zu vergleichen.

Ein DeBakey VAD wurde implantiert und die systemischen und koronaren Blutflüsse sowohl unter baseline Bedingungen als auch unter unterschiedlichen Levels der Pumpeneinstellungen gemessen. Unsere Resultate weisen darauf hin, dass der Blutfluss der Koronararterien nicht mit den Veränderungen an den Einstellungen der Pumpe korreliert.

Die Veränderungen des pulmonalen Blutflusses können auf einen herabgesetzten pulmonalen Gefäßwiderstand hindeuten; ein Effekt der zu einer Stabilisierung des rechten Ventrikels beitragen könnte; möglicherweise auch aufgrund einer Veränderung der Geometrie des linken Ventrikels durch die Volumsentlastung. Gerade diese gleich bleibende koronare Durchblutung bei sinkendem Sauerstoffverbrauch des Myocards kann zur Herzerholung beitragen. Das zweite Projekt befasst sich mit Ansaugereignissen im linken Ventrikel, die während dieser Form der Herzunterstützung gleichermaßen wie bei einer Unterstützung mit pulsatilen Kunstherzen auftreten können.

Endokardiales Ansaugen kann zu einem möglichen linksventrikulärem Kollaps, Ansaugen der Wand des Ventrikels und nachfolgender rechtsventrikulärer Dysfunktion führen. Ziel dieses Teils der Dissertation war es, schwere ventrikuläre Arrhythmien darzustellen und zu klassifizieren, die in einem zeitlichen Bezug zu Ansaugereignissen stehen.

Das Ziel war es, ventrikuläre Arrhythmien in einem zeitlichen Zusammenhang mit Ansaugereignissen darzustellen und diese morphologisch zu klassifizieren. Als Einteilung wurde die monomorphe ventriculäre Tachycardie (Einzelschlag) von der monomorphen ventriculären Tachycardie (als Serie) und von der polymorphen ventriculären Tachycardie abgegrenzt. 19 Patienten wurden einer Gesamtzahl von 57 Untersuchungen unterzogen. Die Elektrokardiogramme wurden semi-manuell mittels eines graphischen Interface in der Software Matlab klassifiziert. Es zeigte sich, dass die exzessive Entleerung des linken Ventrikels während des Supports ventrikuläre Arrhythmien induzieren kann; es gibt Hinweise für einen Anstieg von arrhythmischen Ereignissen nach dem Ansaugen. Dabei handelt es sich um einen transienten Effekt, der 5 Minuten nach dem Suction-Ereignis nicht mehr nachweisbar ist. Diese EKG Veränderungen haben einen plötzlichen Beginn und sind schwerwiegende ventrikuläre Ereignisse, die in aller Regel nach Ende des Ansaugens verschwinden. Wenngleich weiterführende Untersuchungen notwendig sind, um festzustellen inwieweit diese Arrhythmien mit einem schlechteren Outcome korrelieren, weisen diese Daten darauf hin, dass Ansaugereignisse vermieden werden sollen.

Zahlreiche rezente Studien haben das exzellente Potential axialer Herzpumpen gezeigt, um Patienten mit terminalem Herzversagen mit einer guten Lebensqualität unterstützen zu können. Die Effekte eines niedrig pulsatilen Kreislaufs oder einer überhaupt pulslosen Zirkulation auf die Physiologie sind noch nicht vollständig bekannt. Diese Daten sollen dazu beitragen, zukünftige Rotationspumpensysteme weiter zu verbessern.

Abstract (English)

The use of rotary blood pumps for assistance of advanced heart failure continues to increase with the growing prevalence of the disease itself and the availability of small and clinically applicable devices.

These devices are used either as cardiac support prior to transplantation or to assist the recovery of the heart. As rotary blood pumps produce a non-pulsatile flow, several questions concerning the physiology of pulseless circulation are remaining. The first part of this thesis gives an introduction on cardiac support with blood pumps and covers the physiology of low-pulse and pulseless circulation under rotary assist device support according to the literature. The second part is presenting own scientific work on the topic of the thesis. Two publications resulted from the scientific focus, the first project deals with the effects of left ventricular assist device therapy on coronary hemodynamics, myocardial oxygen consumption and pulmonary blood flow in sheep. An in vivo investigation in 10 sheep was done to determine invasively measured coronary perfusion data as well as pressure and flow conditions under cardiovascular assistance and compare the effects of the assistance to physiologic circulatory conditions. A DeBakey VAD® was implanted and systemic and coronary hemodynamic measurements were performed at defined baseline conditions where up to five levels of assistance were tested. Our results reflect that blood flow in the coronary arteries does not correlate with changes in pump flow of rotary blood pumps. The changes in the pulmonary artery could reflect a drop in pulmonary vascular resistance: an effect that eventually may contribute in significant measure to the stabilization of the right ventricle. A change in the geometry of the left ventricle due to the unloading may be an alternative explanation. Particularly this unaltered coronary perfusion at falling oxygen consumption might contribute to cardiac recovery.

The second project refers to endocardial suction that can occur with rotary pumps as well as with pulsatile pumps, leading to possible ventricular collapse, suction of the ventricular wall and subsequent right ventricular dysfunction. We report severe ventricular arrhythmias closely related to suction events in rotary blood pumps, a phenomenon that has not been described before.

Our aim was to find arrhythmias related to suction and classify them either as monomorphic ventricular tachycardia (single beat), monomorphic ventricular tachycardia (series) or as polymorphic ventricular tachycardia. 19 patients underwent an overall number of 57 measurement sessions. The electrocardiagramms were classified semi-manually aided be a graphical user interface. It was observed that excessive ventricular unloading of the left ventricle during continuous left ventricular support can induce ventricular arrhythmias; there is also an evidence for an increase of arrhythmic activity after suction. This turned out to be a transient effect, which vanishes within five minutes after suction.

The ECG-events related to suction have a sudden onset and are severe ventricular arrhythmias, which can consist of even just one extrasystolic beat and they usually cease after clearance of suction. We conclude that suction events in rotary blood pumps can cause severe ventricular arrhythmias and need to be avoided. Whether these post-LVAD ventricular arrhythmias are associated with an adverse outcome needs to be investigated further.