Experimental validation of a cardiac simulator for in vitro evaluation of prosthetic heart valves

Abstract Objective: This work describes the experimental validation of a cardiac simulator for three heart rates (60, 80 and 100 beats per minute), under physiological conditions, as a suitable environment for prosthetic heart valves testing in the mitral or aortic position. Methods: In the experiment, an aortic bileaflet mechanical valve and a mitral bioprosthesis were employed in the left ventricular model. A test fluid of 47.6% by volume of glycerin solution in water at 36.5ºC was used as blood analogue fluid. A supervisory control and data acquisition system implemented previously in LabVIEW was applied to induce the ventricular operation and to acquire the ventricular signals. The parameters of the left ventricular model operation were based on in vivo and in vitro data. The waves of ventricular and systemic pressures, aortic flow, stroke volume, among others, were acquired while manual adjustments in the arterial impedance model were also established. Results: The acquired waves showed good results concerning some in vivo data and requirements from the ISO 5840 standard. Conclusion: The experimental validation was performed, allowing, in future studies, characterizing the hydrodynamic performance of prosthetic heart valves.

Duration of systole and diastole for hydrodynamic testing of prosthetic heart valves: comparison between iso 5840 standards and in vivo studies

Abstract Objective: To complement the ISO 5840 standards concerning the duration of left ventricular systole and diastole as a function of changes in heart rates according to in vivo studies from the physiologic literature review. Methods: The systolic and diastolic durations from three in vivo studies were compared with the durations of systole proposed by the ISO 5840:2010 and ISO 5840-2:2015 for hydrodynamic performance assessment of prosthetic heart valves. Results: Based on the in vivo studies analyzed, the systolic durations proposed by the ISO 5840 standard seemed consistent for 45 and 120 beats per minute (bpm), and showed diverse results for the 70 bpm condition. Conclusion: Information on the realistic validation of the operation of left ventricular models for different heart rates were obtained.

Laser Doppler anemometry measurements of steady flow through two bi-leaflet prosthetic heart valves / Velocimetria laser de escoamento permanente através de duas próteses cardíacas de duplo folheto

INTRODUCTION: In vitro hydrodynamic characterization of prosthetic heart valves provides important information regarding their operation, especially if performed by noninvasive techniques of anemometry. Once velocity profiles for each valve are provided, it is possible to compare them in terms of hydrodynamic performance. In this first experimental study using laser doppler anemometry with mechanical valves, the simulations were performed at a steady flow workbench. OBJECTIVE: To compare unidimensional velocity profiles at the central plane of two bi-leaflet aortic prosthesis from St. Jude (AGN 21 - 751 and 21 AJ - 501 models) exposed to a steady flow regime, on four distinct sections, three downstream and one upstream. METHODS: To provide similar conditions for the flow through each prosthesis by a steady flow workbench (water, flow rate of 17L/min.) and, for the same sections and sweeps, to obtain the velocity profiles of each heart valve by unidimensional measurements. RESULTS: It was found that higher velocities correspond to the prosthesis with smaller inner diameter and instabilities of flow are larger as the section of interest is closer to the valve. Regions of recirculation, stagnation of flow, low pressure, and flow peak velocities were also found. CONCLUSIONS: Considering the hydrodynamic aspect and for every section measured, it could be concluded that the prosthesis model AGN 21 - 751 (RegentTM) is superior to the 21 AJ - 501 model (Master Series). Based on the results, future studies can choose to focus on specific regions of the these valves.

INTRODUÇÃO: A caracterização hidrodinâmica in vitro de próteses de válvulas cardíacas fornece informações importantes quanto ao seu funcionamento, sobretudo se realizada por meio de métodos não-invasivos de anemometria. Uma vez obtidos os perfis de velocidade para cada válvula, é possível compará-las quanto ao seu desempenho hidrodinâmico. Neste primeiro estudo experimental de anemometria laser com válvulas mecânicas, as simulações foram realizadas em bancada de testes para escoamento permanente. OBJETIVO: Comparar perfis de velocidade unidimensional no plano central de duas próteses aórticas de duplo folheto St. Jude (modelos AGN 21 - 751 e 21 AJ - 501) submetidas a um regime de fluxo permanente, para quatro seções distintas, três à jusante e uma à montante. MÉTODOS: Proporcionar condições de similaridade para o escoamento através de cada prótese, por meio de bancada hidrodinâmica para escoamento permanente (água, à vazão de 17 L/min.) e, por meio de anemometria laser unidimensional, obter os perfis de velocidades para as mesmas seções e varreduras. RESULTADOS: Verificou-se que as maiores velocidades correspondem à prótese de diâmetro interno menor e que as instabilidades do fluxo são maiores à medida que a seção de interesse encontra-se mais próxima da válvula. Também foram verificadas as regiões de recirculação, de estagnação do fluxo e de baixa pressão, além dos picos de velocidade para o escoamento em questão. CONCLUSÕES: Sob o aspecto hidrodinâmico e para todas as seções de interesse, foi possível concluir a preferência da válvula de modelo AGN 21 - 751 (RegentTM) sobre a 21 AJ - 501 (Master Series). Os resultados obtidos permitiram escolher, para os próximos trabalhos, um foco de estudo mais específico para regiões concretas dessas próteses.

Concepção de bancada e montagem de experimento para a análise in vitro de próteses cardíacas mitrais / Design conception and experimental setup for in vitro evaluation of mitral prosthetic valves

INTRODUÇÃO: Uma vez que a maioria das complicações relacionadas ao funcionamento das próteses de válvulas cardíacas é decorrente de distúrbios de escoamento, a sua caracterização hidrodinâmica é um auxílio útil no projeto de novas próteses. Simulações do escoamento pulsátil em próteses cardíacas começaram há cerca de 40 anos, por meio do desenvolvimento de diferentes bancadas do sistema circulatório humano, melhorando a interpretação dos resultados clínicos. Um novo projeto de um sistema duplicador de pulsos foi desenvolvido na Escola Politécnica da USP para estudar próteses de válvulas cardíacas. OBJETIVO: Apresentar a concepção da nova bancada experimental de fluxo pulsátil para ensaios hidrodinâmicos de próteses de válvulas cardíacas e o plano de montagem de um experimento cujo foco é o ensaio de próteses mitrais. MÉTODOS: Sua concepção é baseada na revisão do estado da arte desses estudos e na experiência obtida nas bancadas do sistema circulatório, particularmente aquela usada no Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia, em São Paulo, Brasil. RESULTADOS: Neste projeto, um servomotor elétrico controlado por computador emite, por meio de um pistão hidráulico, um pulso para o modelo da câmara do ventrículo esquerdo, onde as válvulas cardíacas são acomodadas. Para caracterizar, no futuro, a operação dinâmica das próteses de válvulas mitrais, foi montado um experimento para proporcionar medições de vazão volumétrica, pressão instantânea e campos de velocidade nessas válvulas. Acessos ópticos estão convenientemente previstos no projeto, tornando possível o uso, no futuro, de um sistema LDA. CONCLUSÕES: A fim de melhorar a análise das tensões hidrodinâmicas e a previsão de hemólise, os resultados experimentais podem ser utilizados para ajustar um modelo numérico usando 'Computational Fluid Dynamics' (CFD).

BACKGROUND: Since most complications related to the operation of prosthetic heart valves is due to disturbances of flow, its hydrodynamic characterization is a useful aid in the design of new prostheses. Simulations of pulsatile flow in cardiac prostheses began nearly 40 years ago, through the development of different mock human circulatory systems, improving the clinical results interpretation. A new design of a pulse duplicator system was developed at Polytechnic School of USP to study prosthetic heart valves. OBJECTIVE: To present the conception of a new mock circulatory system for hydrodynamic simulations of cardiac prosthetic valves and the assembly plan of an experiment whose focus is the test of mitral prosthesis. METHODS: Its conception is based on the state-of-art's review of these studies and the experience got with the previous mock circulatory systems, particularly the one used in the Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia, São Paulo, SP, Brazil. RESULTS: In this design, an electric servomotor controlled by computer emits, through a hydraulic piston, a pulse to the left ventricular chamber model, where the heart valves are accomodated. To characterize, in the future, the dynamic operation of mitral prosthetic valves, an experimental setup was mounted to provide measurements of volumetric flow, instantaneous pressure and velocity fields on these valves. Optical access is conveniently provided on the design, making possible the use, in the future, of a LDA system. CONCLUSIONS: In order to improve the analysis of hydrodynamic shear stress and prediction of haemolysis, the experimental results may be used to regulate a numerical model using 'Computational Fluid Dynamics' (CFD).