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Bisher existiert keine nicht-invasive/ nicht-operative Therapie der Aortenklappenstenose. Als wichtiger Zeitpunkt für eine präventive Maßnahme, zur Verhinderung der Ausbildung einer hömodynamisch relevanten Aortenklappenstenose, kann das Stadium der Aortenklappensklerose angesehen werden. Dieses frühe Erkrankungsstadium verfügt über zahlreiche pathophysiologische Parallelen zur Atherosklerose, für die eine positive Rolle der Prävention durch körperliche Aktivität erwiesen ist. Ziel dieser Arbeit war die Durchführung der Sekundärprävention der kalzifizierenden Aortenklappenerkrankung durch körperliches Training. Um mögliche Effekte dieser Intervention zu eruieren, wurden LDLR-/--Mäuse mit bereits bestehenden pathologischen Aortenklappenveränderungen über einen Zeitraum von 16 Wochen körperlichem Training unterzogen. Durch morphologische, serumanalytische, immunhistochemische und Genexpressionsanalysen konnte abschließend eine Quantifizierung der Effekte körperlichen Trainings - in der Zielsetzung der Sekundärprävention - realisiert werden.

The heart and its mechanical components, especially the heart valves and leaflets, are under enormous strain during lifetime. Like all highly stressed materials, also these biological components undergo fatigue and signs of wear, which impinge upon cardiac output and in the end on health and living comfort of affected patients. Thereby pathophysiological changes of the aortic valve leading to calcific aortic valve stenosis (AVS) as most frequent heart valve disease in humans are of particular interest. The knowledge about changes of the dynamic behavior during the course of this disease and the possibility of early stage diagnosis could lead to the development of new treatment strategies and drug-based options of prevention or therapy. ApoE-/- mice as established model of AVS versus wildtype mice were introduced in an ex vivo artificially stimulated heart model. 4D optical coherence tomography (OCT) in combination with high-speed video microscopy were applied to characterize dynamic behavior of the murine aortic valve and to characterize dynamic properties during artificial stimulation. OCT and high-speed video microscopy with high spatial and temporal resolution represent promising tools for the investigation of dynamic behavior and their changes in calcific aortic stenosis disease models in mice.

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A Left Ventricular Assist Device (LVAD) is a mechanical pump that helps patients with heart failure conditions. This rotary pump works in parallel to the ailing heart and provides an alternative path for blood flow from the weak left ventricle to the aorta. The LVAD is controlled by the power supplied to the pump motor. An increase in the pump motor power increases the pump speed and the pump flow. The LVAD is typically controlled at a fixed setting of pump power. This basically means that the controller does not react to any change in the activity level of the patient. An important engineering challenge is to develop an LVAD feedback controller that can automatically adjusts its pump motor power so that the resulting pump flow matches the physiological demand of the patient. To this end, the development of a mathematical model that can be used to accurately simulate the interaction between the cardiovascular system of the patient and the LVAD is essential for the controller design. The use of such a dynamic model helps engineers and physicians in testing their theories, assessing the effectiveness of prescribed treatments, and understanding in depth the characteristics of this coupled bio-mechanical system. The first contribution of this dissertation is the development of a pump power-based model for the cardiovascular-LVAD system. Previously, the mathematical models in the literature assume availability of the pump speed as an independent control variable. In reality, however, the device is controlled by pump motor power which, in turn, produces the rotational pump speed. The nonlinear relationship between the supplied power and the speed is derived, and interesting observations about the pump speed signal are documented. The second contribution is the development of a feedback controller for patients using an LVAD as either a destination therapy or a bridge to transplant device. The main objective of designing this controller is to provide a physiological demand of the patient equivalent of that of a healthy individual. Since the device is implanted for a long period of time, this objective is chosen to allow the patient to live a life as close to normal as possible. The third contribution is an analysis of the aortic valve dynamics under the support of an LVAD. The aortic valve may experiences a permanent closure when the LVAD pump power is increased too much. The permanent closure of the aortic valve can be very harmful to the patients using the device as a bridge to recovery treatments. The analysis illustrates the various changes in the hemodynamic variables of the patient as a result of aortic valve closing. The results establish the relationship between the activity level and the heart failure severity with respect to the duration of the aortic valve opening.

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Die vorliegende Arbeit untersucht, inwieweit sich minimalinvasive Zugangswege gegenüber der medianen Sternotomie bei isolierten Aortenklappeneingriffen positiv auf die postoperative Schultergelenks- und Schultergürtelmobilität auswirken. Die Beurteilung erfolgt dabei postoperativ primär durch Anwendung des Constant-Murley-Score (CMS). Weiterhin werden der Disabilities of the Arm, Shoulder and Hand Fragebogen (DASH) sowie Untersuchungen von Gelenkbeweglichkeiten und Muskelfunktion (Verlängerbarkeit und Kraft) durchgeführt. Bis dato existiert kein gesondertes Testinstrument zur Beurteilung der funktionellen Einheit Schultergürtel / Schultergelenk in der Herzchirurgie. Existierende Untersuchungen deuten jedoch darauf hin, dass größere, insbesondere herzchirurgische Eingriffe sowohl lokal als auch systemisch Einfluss auf die Funktionalität von Muskulatur haben. Sei es durch direkte Affektion oder aufgrund postoperativer Immobilisation. Für den DASH gibt es ebenfalls bereits veröffentlichte Ergebnisse, die eine Verschlechterung der Funktion der oberen Extremität nach einer Herz-OP zeigen. Bei Betrachtung der Ergebnisse des CMS in dieser Arbeit haben die Patienten nach minimalinvasivem Aortenklappenersatz sowohl rechts (78,9±10,4 minimalinvasiv vs. 60,8±8,6 konventionell, p<0,01) als auch links (80,0±8,0 minimalinvasiv vs. 61,8±5,6 konventionell, p<0,01) eine signifikant bessere Schulterfunktion als nach medianer Sternotomie. Auch die Ergebnisse des DASH zeigen nach minimalinvasiver Operation eine signifikant bessere Funktion der oberen Extremität (40,9±13,6 minimalinvasiv vs. 62,5±22,1 konventionell, p=0,02). Die Beweglichkeitsuntersuchungen lassen bessere postoperative Ergebnisse bei den minimalinvasiv Operierten, insbesondere für nach vorne gerichteten Bewegungen, wie der Protraktion links (20±2,9° minimalinvasiv vs. 13±5,7° konventionell, p<0,01) und der horizontalen Adduktion rechts (115±9,8° minimalinvasiv vs. 103±9,7° konventionell, p=0,03), erkennen. Muskelverlängerbarkeit und -kraft hingegen offenbaren in diesem Setting keine signifikanten Unterschiede zwischen minimalinvasiver und konventioneller Gruppe. Ein Grund dafür kann unter anderem das lange Untersuchungsintervall postoperativ sein. Aufgrund der kleinen Anzahl eingeschlossener Patienten ist die statistische Aussagekraft dieser Arbeit eingeschränkt. Insgesamt wird jedoch die Annahme unterstützt, dass minimalinvasive Verfahren in der Aortenklappenchirurgie eine bessere Funktion der Schulter postoperativ ermöglichen, als dies durch die mediane Sternotomie der Fall ist. Diese bessere Funktion lässt sich durch etablierte Instrumente wie den Constant-Murley-Score sowie den DASH-Fragebogen darstellen.

Leaflet replacement in aortic valve repair (AVr) is associated with increased long-term repair failure. Hemodynamic performance and mechanical stress levels were investigated after porcine AVr with 5 types of clinically relevant replacement materials to ascertain which material(s) would be best suited for repair. Porcine aortic roots with intact aortic valves were placed in a left-heart simulator mounted with a high-speed camera for baseline valve assessment. Then, the non-coronary leaflet was excised and replaced with autologous porcine pericardium (APP), glutaraldehyde-fixed bovine pericardial patch (BPP; Synovis™), extracellular matrix scaffold (CorMatrix™), or collagen-impregnated Dacron (HEMASHIELD™). Hemodynamic parameters were measured over a range of cardiac outputs (2.5–6.5L/min) post-repair. Material properties of the above materials along with St. Jude Medical™ Pericardial Patch with EnCapTM Technology (SJM) were determined using pressurization experiments. Finite element models of the aortic valve and root complex were then constructed to verify the hemodynamic characteristics and determine leaflet stress levels. This study demonstrates that APP and SJM have the closest profiles to normal aortic valves; therefore, use of either replacement material may be best suited. Increased stresses found in BPP, HEMASHIELD™, and CorMatrix™ groups may be associated with late repair failure.