Boesiger, P.

Botnar, R.

Hirt, F.

Nagel, E.

Scheidegger, M.B.

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In-Vivo Messung der Blutflussgeschwindigkeitsverteilung distal zukünstlichen Aortenklappen mittels der Magnetresonanz-Phasenkontrast-TechnikBotnar R.1, Nagel E.2, Hirt F.3, Scheidegger M.B.1, Boesiger P.1'Institut für Biomedizinische Technik und Medizinische InformatikUniversität und Zürich, CH-8044 Zürich, SchweizDepartement für Innere Medizin, Kardiologie, Universitätsspital Zürich, Schweiz3Fluid Dynamics Laboratory, Sulzer Innotec AG, SchweizEINLEITUNG:Der Ersatz von stenosierten oder defekten Herzklappenist heute eine Standardoperation. Dennoch verbleibeneinige Risikofaktoren, einerseits die Operation selbst,und andererseits die unerwünschte Blutgerinnung an denimplantierten künstlichen Herzklappen. Die Messungder Strömungsprofile in unmittelbarer Nähe von nativenund künstlichen Aortenklappen könnte dazu beitragen,die fluiddynamischen Eigenschaften nativerAortenklappen sowie Veränderungen nach einemKlappenersatz besser zu verstehen, und somit zu einemverbesserten Design zukünftiger Klappenersätzebeizutragen.METHODE:Es wurden 5 Patienten mit zweiflügligen mechanischenKlappenersätzen und 7 Probanden mit natürlichen,gesunden Aortenklappen untersucht. DieUntersuchungen wurden sowohl mit einem Philips ACSals auch mit einem Philips NT 1.5 TeslaGanzkörpermagnetresonanztomographen, . unterVerwendung einer speziellen Herzspule durchgeführt.Die geschwindigkeitskodierten Schichtbilder wurden30mm flussabwärts der Klappe, senkrecht zuraufsteigenden Aorta gemessen. Figur l zeigt eine Skizzedes ventrikulären Ausflusstrakts mit der Schichtlage derMRI-Geschwindigkeitsmessung.AV: AorticValveMV: Mitral Valveeines Patienten dargestellt. Die mechanische Herzklappeist als scheibenförmiger, schwarzer Artefakt zuerkennen. Alle Geschwindigkeitsmessungen wurden ander angedeuteten Position, ungefähr 30mm flussabwärtsder Klappe durchgeführt.Figur 1: Lage der Meßschicht der Geschwindigkeits-messungen.In Figur 2 ist ein Längsachsenschnitt durch den linkenVentrikel, den linken Vorhof und die aufsteigende AortaFigur 1: Längsachsenschnitt durchVentrikel und Aorta. AA: AufsteigendeAorta, LV: . Linker Ventrikel, RV:Rechter VentrikelZur Unterdrückung von Flussartefakten, die in MRI-Geschwindigkeitsmessungen nahe von Aortenklappenauftreten können, wurde eine EKG getriggertePhasenkontrastsequenz mit einer asymmetrischenEchoabtastung verwendet [1]. Die zeitliche undräumliche Auflösung der Geschwindigkeitsbilder deraxialen Flusskomponente betrug 25ms bzw.10* 1.37* 1.37mm3. Die wichtigsten Parameter dieserMRI-Untersuchungen waren FOV=350mm,Bildmatrix=256*256, Echozeit TE=5.9ms,Repetitionszeit TR=25ms, Flipwinkel=15°, Messzeit=4-6min und Geschwindigkeitskodierung=120-280cm/s,wobei die Kodierung den individuell unterschiedlichenGeschwindigkeiten angepasst wurde. ZurCharakterisierung der Strömungseigenschaften deruntersuchten Herzklappen wurde die zeitlichen Abfolgender räumlich aufgelösten axialen Geschwindigkeitsfelderund die Maximalgeschwindigkeiten herangezogen.RESULTATE:Die Figuren 3a und 3b zeigen eine Zeitserie vongeschwindigkeitskodierten Phasenbilder einesrepräsentativen Probanden und Patienten. Aufgrund derArchitektur einer natürlichen Aortenklappe, die aus drei56 Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996konzentrisch angeordneten Taschen aufgebaut ist, strömtdas Blut durch die ringförmige Öffnung der Klappe undverursacht das in Figur 3a abgebildete kreissymmetrischeGeschwinddigkeitsprofil. Eine mechanische Zwei-flügelklappe besteht dagegen aus zwei in der Mitte desKlappenrings parallel angeordneten Rügein, die denKlappenring im geöffneten Zustand in zwei breiteringnahe Öffnungen und eine schmale zentrale Öffnungaufteilen und somit zu einem H-förmigenGeschwindkeitsmuster (Figur 3b), mit zwei symmetrischangeordneten Bereichen hoher Geschwindigkeiten imBereich der breiten Öffnungen führen. Links und rechtsder der Klappenmitte können zwei Rückflussbereichebeobachtet werden (Figur 3b).Die Figur 4 zeigt zwei typische axialeGeschwindigkeitsverteilungen während der systolischenBeschleunigungs-, Maximalfluss- und derendsystolischen Austreibungsphase (Verzögerung) einesProbanden (4a) und eines Patienten (4b) der beidenuntersuchten Kollektive. Wie anhand dieses Vergleichszu erkennen ist haben physiologische Flussprofile 30mmflussabwärts von natürlichen Aortenklappen eineabgeflacht, parabolische Form, wogegen hinterkünstlichen Zweiflügelklappen ein M-förmiges Profilbeobachtet wird, das das Design der Klappewiederspiegelt.Figur 3: Zeitserie von graustufenkodiertenPhasenbildern der axialen Geschwindigkeits-komponente, a) Proband, b) Patient. Die Zeitskala läuftvon links oben nach rechts unten. Weiss=Vorwärtsßuss,Schwarz=Rückfluss.Im Vergleich zu in-vitro Messungen an künstlichenZweiflügelklappen [2,3] sind die beiden seitlichenGeschwindigkeitsjets jedoch nicht symmetrisch, sondernhängen stark vom individuellen Verlauf desAortenbogens und der Stellung der Flügel zur Aorta ab.Im Vergleich zu natürlichen Klappen war in allen Fällenein ausgeprägter Rückstrom an der Innenwand desAortenbogens zu erkennen, der auch während dersystolischen Auswurfphase sehr deutlich zu erkennenwar. Der Vergleich der Maximalgeschwindigkeitenzeigt, dass diese nach Aortenklappenersatz signifikanthöher als bei gesunden Probanden mit nativenAortenklappen sind (P<0.002). Im Probandenkollektivwar der Mittelwert der Maximalgeschwindigkeit(1.2±0.03)m/s und im Patientenkollektiv (1.9±0.5)m/s.DISKUSSION:Die gemessenen Geschwindigsverteilungen stromabwärtsal blFigur 4: Axiale Geschwindigkeitsverteilungen währendder systolischen Beschleunigungs- (1), Maximalfluss- (2)und der endsystolischen Verzögerungsphase (3). a)Proband b) Patient.von natürlichen Aortenklappen und mechanischenZweiflügelklappen zeigen, dass die MRI-Messtechnikein geeignetes Werkzeug ist, um die unterschiedlichenStrömungseigenschaften verschiedener Herz-klappentypen, sowohl qualitativ als auch quantitativ zuerfassen. Da die Klappendurchmesser der implantiertenmechanischen Klappen aus operationstechnischenGründen etwas kleiner gewählt werden müssen als dieder ursprünglichen defekten Aortenklappe, ist esplausibel, dass die Maximalgeschwindigkeitenflussabwärts von künstlichen Klappen erhöht sind.Einen nicht zu vernachlässigbaren Einfluss auf dasStrömungsprofil scheint die Stellung der Klappenflügelzu haben. Stehen diese parallel zur Aussenwand desAortenbogens, so scheint der Rückfluss an derAorteninnenwand nur sehr klein zu sein, wogegen er beisenkrechter Ausrichtung der Flügel Werte bis zu 0.5m/sannehmen kann. Um diese Aussage zu untermauern sindjedoch noch weitere Messungen an Patienten notwendig.LITERATUR:[1] Botnar R. et al.; Technology and Health Gare 4, 97 (1996)[2] Walker P. et al.; The Journal of Heart Valve Disease 4, 296(1995)[3] Botnar R. et al.; Proceedings of the SMR l, 606, (1995)Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996 57

In-Vivo Messung der Blutflussgeschwindigkeitsverteilung distal zu künstlichen Aortenklappen mittels der Magnetresonanz-Phasenkontrast-Technik

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