Автореферат и диссертация по медицине (14.00.41) на тему:Преклиническая оценка функции биопротезов "КемКор" для атрио-вентрикулярных позиций

На правах рукописи

АЛЕШКЕВИЧ НАДЕЖДА ПЕТРОВНА

ПРЕКЛИНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ФУНКЦИИ БИОПРОТЕЗОВ «КЕМКОР» ДЛЯ АТРИО - ВЕНТРИКУЛЯРНЫХ ПОЗИЦИЙ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ)

14.00.41 - трансплантология и искусственные органы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА-2006

Работа выполнена в ГУ Научно-производственная проблемная лаборатория реконструктивной хирургии сердца и сосудов с клиникой СО

РАМН Кемерово Научный руководитель:

Доктор медицинских наук,

профессор Журавлева Ирина Юрьевна

Официальные оппоненты: Доктор биологических наук,

Профессор Иткин Георгий Пинкусович

Доктор медицинских наук,

Профессор Муратов Равиль Муратович

Ведущая организация:

Российский научный центр хирургии РАМН, г. Москва

Защита диссертации состоится «27»ноября 2006г. 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д 208.055.01, при ФГУ НИИ Трансплантологии и искусственных органов РОСЗДРАВА по адресу: 123182 Москва, ул. Щукинская 1, конференц-зал. С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГУ НИИ Трансплантологии и искусственных органов МЗ РФ.

Автореферат разослан «_»_2006г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д 208.055.01 доктор медицинских наук, профессор

Ольга Павловна Шевченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Многолетний опыт протезирования клапанов при коррекции пороков сердца показал, что результаты хирургического вмешательства - выживаемость, качество жизни, сократительная способность миокарда - помимо исходного дооперационного состояния, в значительной мере детерминированы особенностями конструкции имплантированных протезов [Дземешкевич 1984, Gabbay S. et al. 1984, Vermeulen F. et al. 1992].

В настоящее время, по данным мировой литературы, в клапанной хирургии развитых стран доля биологических протезов составляет 40%, тогда как в развивающихся — менее 10%; в России в течение последних 3 лет этот показатель держится на уровне 4-7%. [Butany J. et al. 2001, Барбараш JLC., 2005].

Непрерывные разработки по совершенствованию конструкций, каркасов и способов консервации биоматериала направлены на придание протезам следующих качеств:

- механической прочности, гарантирующей сохранение адекватной функции протеза в течение предполагаемой жизни больного;

- конструктивного совершенства при оптимальных параметрах осевых габаритов и массы протеза;

- функциональных параметров, ; способных обеспечить оптимальный уровень гемодинамических показателей в организме больного;

- тромборезистентности материала, из которого изготовлен

протез;

- устойчивости к инфекционным агентам;

физиологически адекватного характера работы запирательного элемента (Г.И. Цукерман с соавт., 1980; А.В. Агафонов, 1982; Б.Л.Фурсов, 1984, JI.A. Бокерия, 2002).

Для того, чтобы прогнозировать функциональные результаты имплантации протеза в организм пациента, необходимы предварительные испытания в стенде пульсирующего потока жидкости. Следует признать, что существующие испытательные системы не лишены ряда недостатков, особенно в той части, которая касается имитации гемодинамических условий каждой из четырех интракардиальных позиций. В частности, в действующих международных (ISO-5840, FDA) и национальном российском (ГОСТ 26997-2003) стандартах не дифференцированы

требования к протезам, предназначенным для левой или правой атриовентрикулярной позиции.

Вместе с тем, очевидно, что преклиническая оценка функции биопротеза должна включать гидродинамические испытания в условиях, максимально приближенных к физиологическим, с оценкой результирующих показателей.

Цель настоящего исследования; Разработка алгоритма преклинических гидродинамических испытаний и определение критериев функциональной адекватности биопротезов клапанов сердца «КемКор» для атрио — вентрикулярных позиций.

Задачи исследования:

1. Обосновать основные требования к стенду для преклинических гидродинамических испытаний атрио - вентрикулярных протезов.

2. Разработать методику и комплекс критериев для преклинической оценки функции атрио-вентрикулярных биопротезов «КемКор»

3. Выявить диапазон нормальных значений функциональных показателей биопротезов «КемКор», а также взаимосвязи анатомических, конструктивных и функциональных характеристик.

4. Идентифицировать морфологические и конструктивные характеристики клапанного аппарата, негативно влияющие на функциональные показатели и ресурс биопротезов «КемКор».

Научная новизна. Обоснованы основные требования к конструкции стенда пульсирующего потока жидкости, имитирующего условия атрио - вентрикулярных позиций сердца.

Впервые дана подробная характеристика режимов и условий работы испытательного стенда, предназначенного для преклинических испытаний атрио - вентрикулярных биопротезов.

Обоснованы параметры и критерии функциональной оценки биопротезов, предназначенных для имплантации в трикуспидальную позицию.

Впервые доказано, что показатели пропускной способности (минутного объема) не зависят от диаметра биопротезов «КемКор».

Впервые изучено влияние величины коаптации створок на основные гидродинамические показатели каркасных протезов «КемКор»,

Впервые дан детальный анализ влияния толщины створчатого аппарата в целом и различных зон створок на функциональные характеристики и ресурс протеза.

Практическая значимость. Создан и апробирован гидравлический стенд «Кор-2МТ», предназначенный для изучения функциональных. характеристик каркасных биопротезов. Предложена методика преклинического тестирования атрио -вентрикулярных биопротезов «КемКор».

Определены параметры нормального функционирования биопротезов в «митральной» и «трикуспидальноЙ» позициях гидродинамического стенда.

Разработана структура индивидуального «функционального паспорта», предназначенного для сопровождения каждого протеза, передаваемого в клинику.

Определены критерии выбраковки на этапах технологического контроля при производстве биопротезов «КемКор»: стенозирование > 49% площади каркаса, наличие локальных истончений в куполе створок, величина коаптации менее 1,5 мм и более 4,0 мм, - ввиду выраженного негативного влияния данных факторов на функциональные показатели и долговечность биопротезов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Преклинические гидродинамические испытания атрио -вентрикулярных биопротезов следует проводить в условиях, максимально полно имитирующих митральную и трикуспидальную позиции сердца при константной величине общего периферического сопротивления системы, соответствующей величине ОПС большого или малого кругов кровообращения.

2, Пропускная способность как интегральная функциональная характеристика атрио - вентрикулярных биопротезов не зависит от их диаметра и обусловлена преимущественно анатомо-морфологическими характеристиками и адекватностью моделирования клапана.

Область применения и внедрение результатов исследования:

Основные положения и результаты работы могут быть применены в серийном производстве биопротезов клапанов сердца,

а именно — при моделировании ксеноаортальных клапанов и на этапе технологического контроля.

Результаты исследования отражены в «Методических

рекомендациях по клиническому использованию биопротезов «КемКор», «ПериКор». Результаты работы защищены тремя патентами на полезные модели (пат.РФ №34080, пат.РФ №39270, пат.РФ №32387).

Апробация материалов диссертации. Материалы настоящего исследования были доложены на IX и X Всероссийских съездах сердечно-сосудистых хирургов (Москва, 2003, 2004); на научной конференции с международным участием «Биопротезирование в сердечно-сосудистой хирургии» (Москва, 2005).

Апробация работы состоялась 05.06.2006. (протокол №49) на совместном заседании сотрудников кафедр кардиологии и сердечно-сосудистой хирургии, факультетской терапии, госпитальной терапии ГОУ ВПО «Кемеровская государственная медицинская академия Росздрава», Ученого Совета ГУ - Научно-производственная проблемная лаборатория реконструктивной хирургии сердца и сосудов с клиникой СО РАМН и МУЗ «Кемеровский кардиологический диспансер».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ (из них 3 патента на полезные модели и 1 статья в центральной печати).

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, обзора литературы, 4 глав собственного материала, заключения, выводов, практических рекомендаций и указателя литературы. Диссертация изложена на 175 страницах текста, содержит 14 таблиц, 83 рисунка. Указатель использованной литературы содержит перечень 212 работ отечественных и зарубежных авторов.

Личный вклад автора. Весь материал, представленный в диссертации, получен, обработан и проанализирован лично автором.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Биопротезы клапанов сердца «КемКор» изготовлены из аортальных комплексов свиньи, консервированных диэпоксисоединением и монтированных на опорном каркасе. Диапазон размеров испытуемых биопротезов «КемКор» колебался

от 26 до 36 мм, общее количество образцов — 111. В качестве контрольных образцов при стендовых испытаниях были использованы 5 клапанов 0 30 мм» моделированных аналогично «КемКор»», но консервированных глутаральдегидом.

Биопротезы клапанов сердца были испытаны в трех различных стендах пульсирующего потока жидкости.

Стенд «Кор-2МТ» был сконструирован в экспериментальном отделе биотехнологий НППЛ РХСС СО РАМН для исследования биологических атрио - вентрикулярных протезов клапанов сердца. Его отличительной особенностью являются константные величины общего периферического сопротивления системы, имитирующие ОПСС большого или малого кругов кровообращения. Данный стенд позволяет имитировать работу протеза в той интракардиальной (митральной или трикуспидалыюй) позиции, для которой он предназначен.

Стенд «Pig Tester», соответствующий требованиям ISO-5840, был сконструирован в Фонде развития кардиохирургии (г.Забже, Польша) для исследования функции биопротезов клапанов сердца. Особенностью данного стенда является отсутствие константной величины общего периферического сопротивления системы: МО жидкости, протекающей, через клапан» является заданным режимом работы стенда. Кроме того, искусственный «желудочек» расположен со стороны приточной части клапана, что» с учетом режимов давления в стенде, позволяет имитировать лишь аортальную позицию.

Для ресурсных испытаний использовали стенд «4 Valve Tester producing» разработанный там же в соответствии с требованиями ISO 5840.

При оценке влияния условий стендовых испытаний на функциональные характеристики биопротезов в качестве критериев были избраны показатели, отражающие работу створчатого аппарата: максимальная площадь открытия (Smax)» транспротезный градиент (АР), минутный объем (МО) и обратный переток (Vo6P). Исследование индивидуальных морфологических характеристик всех биопротезов проводили после гидродинамических испытаний. Количественно оценивали следующие параметры: суммарную площадь створчатого аппарата протеза, толщину купола и свободного края створок, сухую и

влажную массу створок, стенозирование площади проходного сечения протеза, а также величину коаптадии створок..

Для измерения величины коаптадии биопротезов было использовано устройство для определения величины смыкания створок протеза (патент РФ на полезную модель № 39270).

Для статистической обработки полученных результатов использовали программу Statistica 6.0, Результаты выражали в виде средней величины (М) и стандартной ошибки (+ ш). Статистически достоверными считали различия при р<0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние условий стендовых испытаний на функциональные характеристики биопротезов

При испытаниях биопротезов в стенде «Pig Tester», была выявлена следующая зависимость: с увеличением диаметра протеза увеличивалась S^* и уменьшался ДРср (рис.1, 2). В то же время, данная зависимость отсутствовала при испытаниях этих же клапанов в стенде «Кор-2МТ»: показатели S^x биопротезов малого диаметра ( 26-28 мм), в данном стенде, были достоверно выше (р<0,05) как в МП, так и в ТП (рис.1).

Pig Теми Кор-гыгг (МП) Кор-2МТ (ТП)

наименование стенда, позиция

В 26 им а 28 им О 30 ми а 32 ми

Рис1. Показатели максимальной площади Открытия ($тси) протезов«КемКор», полученные при испытаниях в стендах различных конструкций

Pig Tester Kbp-2MT (МП) Kop-2MT (TO)

наименование стенда, позиция

Рис.2. Показатели транспротезного градиента (АР) протезов «КемКор», полученные при испытаниях в стендах различных конструкций

Значения ДРср , напротив, были ниже (р<0,05) в стенде «Кор-2МТ»; при этом достоверные различия показателей ДРср между группами различных диаметров отсутствовали (р>0,05) как в МП, так и в ТП.

Помимо этого, было установлено, что показатели обратного перетока, полученные в МП стенда «Кор-2МТ», в 3 раза меньше (р<0,04) по сравнению с данными «Pig Tester», а в ТП в 5 раз меньше (р<0,04).

Полученные различия могут быть обусловлены характеристиками потоков через клапан. В стенде «Pig Tester» - это высокоскоростные потоки, имитирующие гемодинамику аортальной позиции,с высоким давлением открьгшя(120 мм рт.ст.) и высоким градиентом давления (40 мм рт.ст.). В противоположность этому, атриовентрикулярные позиции характеризуются низкими значениями давлений открытия (МП -10 мм рт.ст., ТП -5 мм рт.ст.) и градиентов давления (10 мм рт.ст. и 5 мм рт.ст, соответственно.), а также скоростей кровоток.

Следовательно, для получения адекватных функциональных показателей протеза целесообразно тестировать клапан в стенде, режимы работы которого максимально приближены к условиям той позиции, для которой предназначен протез.

В связи с этим при выполнении дальнейших исследований стремились максимально приблизить условия функционирования клапана к митральной или трикуспидальной позиции (таблица 1).

таблица 1

№ Наименование показателя МП ТП

1 ЧСС (цикл/мин) 60-75-90-120

2 Ртах на входе (мм рт.ст) 10 7

3 Ртах на входе (мм рт.ст.) 120 50

4 т" 30% 45%

Т - продолжительность «систолы» желудочка по отношению к длительности цикла.

Преклиническне показатели функции биопротезов клапанов сердца «КемКор»

Анализ динамики функциональных показателей в условиях, имитирующих МП или ТП, позволил выявить следующие закономерности изменения функции биопротезов «КемКор». Бта* в группах биопротезов диаметром 26 и 28 мм одинакова во всем диапазоне частот (р>0,05) как в МП, так и в ТП стенда «Кор-2МТ». Это позволило объединить биопротезы 0 26 и 028 мм в одну группу, условно названную «биопротезы малого диаметра» (рис. 3). Площадь открытия «КемКор-32» достоверно больше по сравнению с показателями «КемКор-30» во всем диапазоне частот (р<0,05), хотя абсолютные значения этих различий невелики и составляют лишь 0,1-ОД см2. Это позволило объединить, биопротезы 0 30 и 0 32 мм в одну группу под названием «биопротезы среднего диаметра».

При сравнении Бщах «средних» и «малых» биопротезов в МП и ТП были выявлены достоверные различия (р<0,05) между этими группами практически во всем диапазоне частот. Б^х «КемКора-32» во всем частотном диапазоне превышает аналогичные характеристики «КемКора-26» в среднем на 20% . Показатель Бщах «КемКор-36» на 0,4-0,5 см2 больше, чем соответствующий показатель «КемКор-32» и на 1 см2 — чем Эпмх «КемКор-26». Однако его МО не имеет столь выраженных отличий от остальных групп испытанных биопротезов.

3.5«

026 MM 0328 мм 030 мм Ш32 мм S36 мм

75 90 105 120

частота (цикл/мин)

Рис.3 S max биопротезов «КемКор», условия митральной позиции

8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 -

частота (цикл'мин)

Рис.4. МО биопротезов «КемКор», условия митральной позиции

В МП для всех групп биопротезов наблюдали постепенное нелинейное увеличение МО от 4,2 до 6,2-6,8 л/мин в диапазоне частот от 60 до 120 цикл/мин (рис.4), что позволяет предполагать взаимосвязь МО с рядом других факторов: инерционностью створчатого аппарата, изменением временного соотношения отдельных фаз работы клапана и т.д.

Иную динамику МО наблюдали в ТП: при увеличении частоты пульсаций от 60 до 75 цикл/мин величина МО возрастала от 5,3-5,5 до 6,7-7 л/мин, оставаясь практически неизменной при

дальнейшем увеличении частоты. Следует особо подчеркнуть, что биопротезы диаметром 36 мм демонстрировали в данной позиции самые низкие показатели МО, достоверно (р<0,05) отличаясь при этом от остальных групп биопротезов. При этом показатели Бщах «КемКора-36», как и в «митральной» позиции, были достоверно выше, чем в других группах.

Было доказано, что с увеличением частоты снижается общий переток в МП стенда «Кор-2МТ». Аналогичную тенденцию наблюдали и в трикуспидальной позиции. При этом самые низкие значения демонстрировали биопрогезы 0 26 мм.

Значения ДРср были достоверно выше на клапанах «среднего» диаметра и достигали 1,6 мм рт.ст, в МП и 1,67 мм рт.ст. - в ТП. Для клапанов «малого» диаметра АРср не превышал 0,5 мм рт.ст. в «митральной» и 0,7 мм рт.ст.- в «трикуспидальной» позиции во всем интервале частот.

При анализе соотношений физических и функциональных характеристик биопротезов (рис.5) были выявлены следующие закономерности: при увеличении диаметра каркаса от 26 до 36 мм площадь его проходного отверстия увеличивается на 81 %, площадь створчатого аппарата - на 75,4%, максимальная площадь открытия -всего на 58,3 %, в то время как влажная масса створчатого аппарата — на 150%, а сухая масса - на 133%.

По-видимому, за счет опережающего увеличения массы створчатого аппарата при увеличении диаметра протеза увеличивается инерционность створок, уменьшается амплитуда и скорость открытия, что приводит в протезах большого диаметра к уменьшению площади открытия, а также к увеличению градиента.

Влияние консервации биоматернала на работу створчатого аппарата протеза

Было установлено, что МО биопротезов, консервированных ДЭЭ, в МП на 12-16% больше (р<0,05), чем аналогичный показатель ГА-протезов. В ТП достоверных различий МО между ГА- и ДЭЭ-протезами не было выявлено (р>0,05).

Значения ДРср биопротезов, обработанных ДЭЭ и ГА, не имели достоверных различий в МП при ЧСС - 60-75 цикл/мин. Однако с увеличением ЧСС происходило значительное увеличение ДРср на биопротезах, обработанных ГА - до 2,34 ± 0,23 мм рт. ст. при 120 цикл/мин, тогда как у диэпоксиобработанных биопротезов значения ДРср во всем частотном диапазоне не изменялись и находились в интервале от 1,4 + 0,19 до 1,5 + 0,4 мм рт.ст.

диаметр

Рис. 5. Динамика физических и функциональных показателей бипротезов "КемКор".

В ТП диэпоксиобработанные биопротезы как на физиологических частотах, так и на тахичастотах имели достоверно (р<0,05) меньший ДРср, чем ГА — клапаны.

Учитывая абсолютную идентичность как технологического процесса изготовления протезов, так и условий их испытания в стенде, следует, по-видимому, считать, что основной причиной полученных различий являются свойства самой биологической ткани, приобретенные в результате различной химической обработки.

Так, было установлено, что толщина свободного края ДЭЭ-створок достоверно меньше (р<0,05) по сравнению с ГА-створками. При фазовом анализе работы биопротезов оказалось, что длительность закрытия ГА-клапанов при физиологических частотах на 86-95%, а при тахичастотах — на 175-180% больше, чем аналогичный показатель ДЭЭ- клапанов. Данная закономерность актуальна как для МП, так и для ТП. Таким образом, меньшая

инерционность эпоксиобработанного биоматериала наиболее значима при высоких частотах, а также при более низком давлении открытия клапана в «трикуспидальной» позиции, где ДРср на ГА-протезах в 2,5-3,0 раза выше, чем на ДЭЭ-биопротезах.

Влияние некоторых морфологических особенностей клапанно-аортального комплекса на функциональные показатели биопротеза

Было установлено, что коллагеновые утолщения в основании створки, свойственные клапанно-аоргальному комплексу, уменьшают Smax, если стенозирование проходного сечения каркасов 0 26-30 мм превышает 49%, У биопротезов большего диаметра (32 мм) не было получено достоверных различий Smax (р>0,05) между группой, где стенозирование площади каркаса составляло 51% и более и группой, где стеноз составил менее 51%, Данные закономерности характерны как для МП, так и для ТП.

При анализе влияний коллагеновых утолщений на такие функциональные характеристики, как МО и ДРср не было получено достоверных различий (р>0,05) между группами с большим и меньшим стенозированием биопротезов всех исследованных диаметров.

Влияние величины коаптации створок на гидродинамические показатели биопротезов «КемКор»

Коаптация (от английского «coaptation») . -

соприкосновение трех створок в зоне узелков Аранци, которая является важнейшим показателем качества моделирования. Величину коаптации в испытуемых биопротезах условно разделили на «минимальную» (<1,5 мм), «нормальную» (1,5<СО<4,0 мм) и «максимальную» (>4,0 мм).

При анализе результатов гидродинамических испытаний были выявлены следующие закономерности. При ЧСС 60-75 цикл/мин биопротезы с СО < 1,5 мм в МП демонстрировали объемы Vo6P, в 2,5 раза превышающие соответствующие показатели биопротезов с «нормальной» коаптацией. Аналогичную картину наблюдали и в ТП, хотя здесь величины Vq6P были меньше: показательУобр уменьшался по мере увеличения частоты от 1,79+0,31 до 0,85+0,42 мл/цикл.

Биопротезы с СО > 4,0 мм также обнаруживали значительно большие, по сравнению с «нормальными», показатели Уобр (р<0,05), но только на физиологических частотах в МП.

При исследовании МО биопротезов с различной коаптацией не было получено достоверных различий (р>0,05) ни в МП, ни в ТП.

Кроме того, не было получено достоверных различий (р>0,05) в отношении Smax между группами протезов с «минимальной» и «нормальной» коаптацией. В то же время, достоверно (р<0,05) меньшую Smax демонстрировали биопротезы с «максимальной» величиной коаптации во всем диапазоне частот как в МП, так и в ТП.

Показатели ДР были значительно ниже (р<0,05) у биопротезов с нормальной коаптацией как в МП, так и в ТП во всем интервале частот.

Результаты ресурсных испытаний

Ресурсным испытаниям подвергали 10 биопротезов, имевших локальные истончения(фенестрации) в куполе одной, двух, а иногда и всех трех створок, а также 2 биопротеза с «максимальной» величиной коаптации.

Три биопротеза «КемКор» с фенестрации прошли лишь 1,5 % от требуемого ресурса, остальные 7 клапанов отработали 70%.

Биопротезы с «максимальной» величиной коаптации также не выработали полной ресурс циклической нагрузки. Свободные края створок таких биопротезов имеют «фестончатый» вид, открываясь как бы «внахлест» на «синусы» каркаса. Происходит трение створчатого аппарата об обшивку каркаса и, как результат этого - разрыв створок по свободному краю.

Технология оценки функции атрно - вентрикулярных биопротезов

На основании результатов, полученных в настоящем исследовании, была предложена технология преклинической оценки функции атрио - вентрикулярных биопротезов.

Протез должен быть испытан на одной физиологической частоте -70 + 5 уд/мин (ISO 5840). Чтобы максимально адекватно оценить его работу, давление в «предсердии» и «желудочке» должно соответствовать МП либо ТП, Испытания должны быть непродолжительными — не более 10 циклов работы в каждой «позиции» (ISO 5840), чтобы не травмировать биопротез, предназначенный для имплантации больному.

Таблица 2.

Нормативные преклинические показатели биопротезов «КемКор», _ предназначенных для МП и ТП_

№ Наименование показателя позиция диаметр

26 28 30 32 36

1 5пшх (СМ ) МП ТП >1,9 >2,0 >2,3 >2,4 >3,1

2 ДР (мм рт.ст) МП <0,5 <0,5 <1,5 <1,5 £2,9

ТП <0,3 <0,6 <1,4 <1,4

3 ' Уобр (мл/цикл) МП <0,9 <0,9 <0,9 <1,2 <1,0

ТП <0,5 <0,6 <0,6 <0,6

4 МО (мл/мин) МП ТП 4 000-60С 0'

5 Коаптация (мм) МП ТП 1,5 <СО<4Д)

Функциональный паспорт

Наименование изделия Каркасный биопротез клапана сердца «КемКор»

Диаметр (мм) 30

Серийный номер 55551205

Рекомендуемая позиция: Митральная, трикуспидальная, универсальная

Митральная Трикуспндальняя

Характеристики, полученные в стенде пульсирующего потока жидкости _

Позиция Коаптация (мм) Зщах (см2) ДР (мм рт.ст) Общ. обратный переток (мл/цикл)

Митрал.

Трикусп.

Примечания:_____

Рис.6. Макет функционального паспорта биопротеза «КемКор»

При этом целесообразно задавать сначала «трикуспидальный», а затем «митральный» режим. Каждый функциональный параметр биопротеза «КемКор» должен укладываться в таблицу нормативных показателей (таблица 2). Показатели преклинического контроля (площадь открытия, минутный объем, трансклапанный градиент и обратный переток) должны быть отражены в индивидуальном "функциональном паспорте" биопротеза, входящим в комплект поставки каждого изделия (рис.6).

ВЫВОДЫ:

1. Для полноценной преклинической оценки функции атриовентрикулярных биопротезов стенд пульсирующего потока должен обеспечивать давления в искусственных предсердиях и желудочках, соотношения «систола/диастола», а также константные величины ОПСС, максимально приближенные к условиям митральной или трикуспидальной позиций.

2. Комплекс критериев, позволяющих наиболее полно охарактеризовать функцию биопротеза в стендовых условиях, включает показатели максимальной ПЛОЩаДИ ОТКрЫТИЯ (Этах)» транспротезного градиента (АР), общего обратного перетока (Уобр) и пропускной способности клапана (МО).

3. При стендовых испытаниях характеристики нормальной функции биопротезов КемКор, в зависимости от диаметра, укладываются в следующий диапазон значений: Зтах — 1,9-2,4 см2, АР - 0,5-1,5 мм рт.ст., У0бр - 0,9-1,2 мл/цикл, МО - 4-6 л/мин.

4. По мере увеличения диаметра биопротезов увеличиваются показатели как Эщах» так и АР, что связано с опережающим увеличением площади, толщины и массы створчатого аппарата. Это обусловливает нивелирование различий между пропускной способностью (МО) биопротезов различных диаметров.

5. Одним из важнейших показателей качества моделирования биопротеза является величина коаптации, оказывающая влияние на гидродинамические характеристики и ресурс клапана. Оптимальная величина коаптации находится в диапазоне от 1,5 до 4 мм.

6. Негативное влияние на функцию биопротезов «КемКор» оказывают следующие факторы:

- консервация глутаровым альдегидом приводит к увеличению транспротезного градиента на 25-180% в обеих атрио-ветрикулярных позициях;

- при величине коаптации <1,5 мм увеличивается Уовр , а при величине >4,0 мм уменьшается отах и возрастает ДР;

- наличие коллагеновых утолщений в основании створок, стенозирующих площадь проходного сечения каркаса более, чем на 49%, уменьшает Втах биопротезов диаметром 26-30 мм;

- наличие в створках участков с уменьшенной толщиной уменьшает ресурс клапана.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Преклиническая оценка функции атриовентрикулярного биопротеза должна быть выполнена в стенде пульсирующего потока жидкости, максимально полно имитирующем гемодинамические условия митральной и/или трикуспидальной позиций.

2. Для получения адекватных результатов преклинические испытания биопротезов в стенде пульсирующего потока должны выполняться при следующих режимах:

- ЧСС - 70 + 5 цикл/мин;

- нагружение - не более 10 циклов в каждой позиции;

- давление в «предсердии» и «жедудочке» для «митральной» позиции должно составлять 10 мм рт.ст. и 120 мм рт.ст., соответственно, соотношение «систола/диастола» - 30:70;

- давление в «предсердии» и «жедудочке» для «трикуспидальной» позиции — 7 мм рт.ст. и 25 мм рт.ст., соответственно, соотношение «систола/диастола»- 45:65;

3. Критерии функции биопротеза: Б шах, транспротезный градиент (ДР), общий обратный переток (Уобр) и пропускная способность клапана (МО) — необходимо регистрировать прямыми методами, что позволит максимально объективизировать результаты преклинических испытаний.

4. В программу преклинического контроля биопротезов должно быть включено измерение высоты коаптации створок. При величине коаптации менее 1,5 мм или более 4,0 мм биопротез непригоден для клинического использования.

5. Если хотя бы один функциональный параметр биопротеза «КемКор» не укладывается в таблицу нормативных показателей, такой клапан не должен быть использован в клинической практике, в связи с невозможностью прогнозировать его функцию в послеоперационном периоде.

6. Результаты преклинической оценки функции каждого биопротеза, успешно прошедшего стендовые испытания, должны быть оформлены в виде «функционального паспорта», включаемого в комплект поставки с целью индивидуализации выбора протеза для каждого больного и оптимизации прогнозирования результатов хирургического лечения.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1.Влияние дизайна и методов консервации на функционирование бескаркасных биопротезов. (Л.С.Барбараш, И.А Климов., Г.В.Моисеенков, Н.П. Алешкевич, И.Ю.Журавлева). // Бюллетень НЦССХ им.А.Н.Бакулева РАМН Материалы девятого всероссийского съезда сердечно-сосудистых хирургов,- Москва.-

2003.-c.347.

2.Влияние моделирования и качества биоматериала на функционирование каркасных биопротезов. (Л.С.Барбараш, И.Ю .Журавлева, И.А. Климов, Н.П Алешкевич, З.Наврат,

3.Малота, П.Костка). // Бюллетень НЦССХ им.А.Н.Бакулева РАМН Материалы девятого всероссийского съезда сердечно-сосудистых хирургов.- Москва.- 2003. — с.350.

3. Патент на полезную модель № 32387 «Стенд для исследования биологических протезов клапанов сердца» (Л.С. Барбараш, И.А.Климов, И.Ю. Журавлева, В.В. Борисов, Н.П. Алешкевич) по заявке № 2003116711/20 приоритет от 04.06.2003

4. "Effect of design and Material Defects on Function of Stented bioprostheses" (L. Barbarash, I, Klimov, N. Aleshkevich, Z. Nawrat, Z. MaJota, P. Kostka ) — The Society for Heart Valve Disease. Second Biennal Meeting, Paris, France, 28th June-l^July 2003.p.l90.

5. Патент на полезную модель Xa 34080 «Стенд для исследования атриовентрикулярных биопротезов клапанов сердца» (Л.С. Барбараш, И.А.Климов, И.Ю. Журавлева, Н.П. Алешкевич, В.В. Борисов) по заявке № 2003121876/20 приоритет от 16.07.2003

6. Новый подход к системе контроля качества при производстве биопротезов. (Л.С.Барбараш, И.Ю.Журавлева, Н.П Алешкевич). // Бюллетень НЦССХ им.А.Н.Бакулева РАМН Материалы девятого всероссийского съезда сердечно-сосудистых хирургов.- Москва.-

2004.-c.334.

7. Коагтгация створок каркасных биопротезов: гидродинамические эффекты и методы оценки.. (Л.С.Барбараш, H.A. Климов, Н.П Алешкевич, И.Ю.Журавлева)// Бюллетень НЦССХ им.А.Н.Бакулева РАМН Материалы девятого всероссийского съезда сердечно-сосудистых хирургов.- Москва.- 2004. — с.336.

8. Функциональные характеристики каркасных ксенобиопротезов в митральной позиции по результатам гидродинамических тестов и «in vivo». (А,М.Караськов, И.И.Семенов, В.Е. Железчиков,

Д.В.Шматов, Л.С.Барбараш, И.Ю.Журавлева, Н.П Алешкевич).// Бюллетень НЦССХ им.А.Н.Бакулева РАМН Материалы девятого всероссийского съезда сердечно-сосудистых хирургов,- Москва.-2004.-c.339.

9. Патент на полезную модель № № 39270 «Устройство для определения величины смыкания створок протеза ксеноперикардиального клапана» (Л.С. Барбараш, И.А.Климов, И.Ю. Журавлева» Н.П. Алешкевич, В.В. Борисов) по заявке № 2004109322/20 приоритет от 29.03.2004

10. Коаптация створок каркасных биопротезов: гидродинамические эффекты и методы оценки. (Л.С.Барбараш, ИА. Климов, Н.П Алешкевич, ИЛО.Журавлева). // Программа и материалы научной конференции с международным участием НЦССХ им.А.Н. Бакулева РАМН «Биопротезирование в сердечно-сосудистой хирургии». — Москва.- 2005.- с.27.

11. Функциональные характеристики биопротезов «КемКор» в митральной позиции: клинико — экспериментальные соответствия. (А.М.Караськов, ИЛ.Семенов, Д.В.Шматов, И.Ю.Журавлева, ИАЛСлимов, Н.ПАлешкевич, Л. С. Барбараш). // Патология кровообращения и кардиохирургия. 2005. - №4. — с.13-18.

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ГА - глугаровый альдегид

ДЭЭ - диглицидиловый эфир этиленгликоля

МО - минутный объем

МП - митральная позиция

ТП - трикуспидальная позиция

АРСр - средний диастолический градиент давления

Ртах - давление максимальное

Уобр (мл/цикл) - обратный переток

ЧСС (цикл/мин) — частота сердечных сокращений

СО (мм) — коаптация

Бщах — максимальная площадь открытия

0 - диаметр

Соискатель Н.П.Алешкевич

Подписано в печать 24.10.2006. Формат 60x84/16. Печать трафаретная. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. л. 1,38. Тираж 100 экз. Заказ Ха 1499-06.

Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленного оригинал-макета в ОАО «ИПП «Кузбасс». 650066, г. Кемерово, пр. Октябрьский, 28 Тел. (384-2) 52-68-11 Факс (384-2) 52-78-88

Актуальность работы

Многолетний опыт протезирования клапанов при коррекции пороков сердца показал, что результаты хирургического вмешательства - выживаемость, качество жизни, сократительная способность миокарда - помимо исходного дооперационного состояния, в значительной мере детерминированы особенностями конструкции имплантированных протезов [17, 73, 74, 90, 138, 149, 172, 206].

В связи с этим наиболее актуальной является проблема выбора оптимального клапанного заменителя: механического или биологического.

Тромбоэмболические осложнения, необходимость пожизненного приема антикоагулянтов и высокий риск связанных с этим кровотечений, опасность острых дисфункций, фатальное течение протезного эндокардита [6, 10, 17, 31, 163, 195, 198] - это спектр тех осложнений, которые могут развиться после протезирования механическими заменителями клапанов. Стремление избежать этих осложнений является стимулом для перманентного совершенствования биопротезов.

Благодаря трудам A. Carpentier и соавт. (1968), М. Ionescu и соавт. (1970, 1974), W. Angell и соавт. (1970, 1974), W. Hancock и соавт. (1973) были созданы первые модели биопротезов, являющихся альтернативой механическим искусственным клапанам сердца. Отечественные разработки в области создания биопротезов связаны с именами Н.Б. Добровой (1970), Б.А. Фурсова (1971), Г.И. Цукермана (1971), H.H. Малиновского (1982), С.Л. Дземешкеви-ча (1984), Л.С. Барбараша (1986).

В настоящее время, по данным мировой литературы, в клапанной хирургии развитых стран доля биологических протезов составляет 40%, тогда как в развивающихся - менее 10%; в России в течение последних 3 лет этот показатель держится на уровне 4-7%. [11, 102].

Непрерывные разработки по совершенствованию конструкций, дизайна каркасов, способов консервации биопротезов клапанов сердца направлены на придание им следующих качеств:

- механической прочности, гарантирующей сохранение адекватной функции протеза в течение предполагаемой жизни больного;

- конструктивного совершенства при оптимальных параметрах осевых габаритов и массы протеза;

- функциональных параметров, способных обеспечить оптимальный уровень гемодинамических показателей в организме больного;

- тромборезистентности материала, из которого изготовлен протез;

- устойчивости к инфекционным агентам;

- физиологически адекватного характера работы запирательного элемента (Г.И. Цукерман с соавт., 1980; A.B. Агафонов, 1982; Б.А.Фурсов, 1984).

Для того чтобы с достаточной степенью вероятности прогнозировать функциональные результаты имплантации протеза в организм пациента, необходимы предварительные испытания в стенде пульсирующего потока жидкости, в условиях, максимально приближенных к физиологическим.

Следует признать, однако, что существующие испытательные системы не лишены ряда недостатков, особенно в той части, которая касается имитации гемодинамических условий каждой из четырех интракардиальных позиций. В частности, в действующих международных стандартах ISO-5840 и FDA [128, 162], а также в национальном российском ГОСТ 26997 - 2003 [43] не дифференцированы требования к протезам, предназначенным для левой или правой атриовентрикулярной позиции.

Вместе с тем, очевидно, что преклиническая оценка функции биопротеза должна включать гидродинамические испытания в условиях, максимально приближенных к физиологическим, с оценкой результирующих показателей. Оптимальным отражением данного вида испытаний можно считать индивидуальный «функциональный паспорт», включаемый в комплект поставки каждого изделия. Это в какой-то мере поможет клиницистам в формировании как раннего, так и отдаленного прогноза функциональных результатов оперативного лечения.

Цель исследования: Разработка алгоритма преклинических гидродинамических испытаний и определение критериев функциональной адекватности атрио - вентрикулярных биопротезов клапанов сердца «КемКор».

Задачи исследования:

1. Обосновать основные требования к стенду для преклинических гидродинамических испытаний атрио - вентрикулярных протезов.

2. Разработать методику и комплекс критериев для преклинической оценки функции атрио-вентрикулярных биопротезов «КемКор»

3. Выявить диапазон нормальных значений функциональных показателей биопротезов «КемКор», а также взаимосвязи анатомических, конструктивных и функциональных характеристик.

4. Идентифицировать морфологические и конструктивные характеристики клапанного аппарата, негативно влияющие на функциональные показатели и ресурс биопротезов «КемКор».

Научная новизна исследования:

Обоснованы основные требования к конструкции стенда пульсирующего потока жидкости, имитирующего условия атриовентрикулярных позиций сердца.

Впервые дана подробная характеристика режимов и условий работы испытательного стенда, предназначенного для преклинических испытаний атрии - овентрикулярных биопротезов.

Обоснованы параметры и критерии функциональной оценки биопротезов, предназначенных для имплантации в трикуспидальную позицию.

Впервые доказано, что показатели пропускной способности (минутного объема) не зависят от диаметра биопротезов «КемКор».

Впервые показано влияние величины коаптации створок на основные гидродинамические показатели каркасных протезов «КемКор» и ресурс клапана.

Впервые дан детальный анализ влияния толщины створчатого аппарата в целом и различных зон створок на функциональные характеристики и ресурс протеза.

Практическая значимость работы:

Проведена апробация гидравлического стенда оригинальной конструкции, созданного для изучения функциональных характеристик каркасных биопротезов.

Предложена методика преклинического тестирования атрио - вентри-кулярных биопротезов «КемКор».

Определены параметры нормального функционирования биопротезов в «митральной» и «трикуспидальной» позициях гидродинамического стенда.

Разработана структура индивидуального «функционального паспорта», предназначенного для сопровождения каждого протеза, передаваемого в клинику.

Определены критерии выбраковки на этапах технологического контроля при производстве биопротезов «КемКор»: стенозирование > 49% площади каркаса, наличие локальных истончений в куполе створок, величина коаптации менее 1,5 мм и более 4,0 мм, - ввиду выраженного негативного влияния данных факторов на функциональные показатели и ресурс биопротезов.

Область применения и внедрение результатов исследования:

Основные положения и результаты работы могут быть применены в серийном производстве биопротезов клапанов сердца, а именно - при моделировании ксеноаортальных клапанов и на этапе технологического контроля.

Результаты исследования отражены в методических рекомендациях по клиническому использованию «Биопротезы «КемКор», «ПериКор».

Результаты работы защищены тремя патентами на полезные модели (пат.РФ №34080, пат.РФ №39270, пат.РФ №32387).

Объем и структура диссертации:

Работа состоит из введения, обзора литературы, 4 глав собственного материала, заключения, выводов, практических рекомендаций и указателя литературы. Диссертация изложена на 175 страницах текста, содержит 14 таблиц, 83 рисунка. Указатель использованной литературы содержит перечень 212 работ: из них отечественных 74 и зарубежных авторов 138.

ВЫВОДЫ:

1. Для полноценной преклинической оценки функции атрио-вентрикулярных биопротезов стенд пульсирующего потока должен обеспечивать давления в искусственных предсердиях и желудочках, соотношения «систола/диастола», а также константные величины ОПС, максимально приближенные к условиям митральной или трикуспидальной позиций.

2. Комплекс критериев, позволяющих наиболее полно охарактеризовать функцию биопротеза в стендовых условиях, включает показатели максимальной площади открытия (8тах), транспротезного градиента (АР), общего обратного перетока (У0бР) и пропускной способности клапана (МО).

3. При стендовых испытаниях характеристики нормальной функции биопротезов КемКор, в зависимости от диаметра, укладываются в следующий диапазон значений: 8тах- 1,9-2,4 см2, АР - 0,5-1,5 мм рт.ст., Уобр- 0,9-1,2 мл/цикл, МО - 4-6 л/мин.

4. По мере увеличения диаметра биопротезов увеличиваются показатели как 8тах, так и АР, что связано с опережающим увеличением площади, толщины и массы створчатого аппарата. Это обусловливает нивелирование различий между пропускной способностью (МО) биопротезов различных диаметров.

5. Одним из важнейших показателей качества моделирования биопротеза является величина коаптации, оказывающая влияние на гидродинамические характеристики и ресурс клапана. Оптимальная величина коаптации находится в диапазоне от 1,5 до 4 мм.

6. Негативное влияние на функцию биопротезов «КемКор» оказывают следующие факторы:

- консервация глутаровым альдегидом приводит к увеличению транспротезного градиента на 25-180% в обеих атрио-ветрикулярных позициях;

- при величине коаптации <1,5 мм увеличивается Уобр, а при величине >4,0 мм уменьшается 8тах и возрастает ДР;

- наличие коллагеновых утолщений в основании створок, стенозирую-щих площадь проходного сечения каркаса более, чем на 49%, уменьшает 8тах биопротезов диаметром 26-30 мм;

- наличие в створках участков с уменьшенной толщиной уменьшает ресурс клапана.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Преклиническая оценка функции атрио-вентрикулярного биопротеза должна быть выполнена в стенде пульсирующего потока жидкости, максимально полно имитирующем гемодинамические условия митральной и/или трикуспидальной позиций.

2. Для получения адекватных результатов преклинические испытания биопротезов в стенде пульсирующего потока должны выполняться при следующих режимах:

• 70 + 5 цикл/мин;

• нагружение - не более 10 циклов в каждой позиции;

- давление в «предсердии» и «жедудочке» для «митральной» позиции должно составлять 10 мм рт.ст. и 120 мм рт.ст., соответственно, соотношение «систола/диастола» - 30:70;

- давление в «предсердии» и «жедудочке» для «трикуспидальной» позиции - 7мм рт.ст. и 50 мм рт.ст., соответственно, соотношение «систола/диастола»- 45:65;

3. Критерии функции биопротеза - максимальная площадь открытия, транспротезный градиент (ДР), общий обратный переток (У0бР) и пропускная способность клапана (МО) - необходимо регистрировать прямыми методами, что позволит максимально объективизировать результаты преклинических испытаний.

4. В программу преклинического контроля биопротезов должно быть включено измерение высоты коаптации створок. При величине коаптации менее 1,5 мм или более 4,0 мм биопротез непригоден для клинического использования.

5. Если хотя бы один функциональный параметр биопротеза «КемКор» не укладывается в таблицу нормативных показателей (стр.134), такой клапан не должен быть использован в клинической практике, в связи с невозможностью прогнозировать его функцию в послеоперационном периоде.

6. Результаты преклинической оценки функции каждого биопротеза, успешно прошедшего стендовые испытания, должны быть оформлены в виде «функционального паспорта», включаемого в комплект поставки с целью индивидуализации выбора протеза для каждого больного и оптимизации прогнозирования результатов хирургического лечения.