This research paper highlights the significance of mock circulatory loops in aiding the development and testing of left ventricle assist devices (LVADs). Heart disease is the leading cause of death in America, and LVAD offers an effective solution to patients with severe coronary artery disease who are not eligible for heart transplants. However, before testing LVADs in-vivo, extensive performance and reliability testing is required as per Food and Drug Administration guidelines. Mock circulatory loops are useful for simulating the cardiac cycle and capturing pressure and flow meter readings. The research focused on developing and testing a mock circulatory loop that accurately captures pressure and flow meter readings. The team experimented with various silicone elastomers and a urethane-based material, ClearFlex 30, to create a transparent phantom. The report highlights the importance of surface roughness for optical clarity, with an average surface roughness of 0.186 μ being ideal for optimal clarity achieved with 800-grit sandpaper. The impact of pressure differences between the aortic and mitral inlet/outlets was also studied, and it was found that the loop's resistance can be modified to achieve elevated pressure in the aortic outlet. The report further emphasized the importance of refractive index matching to perform particle image velocity. Matching the refractive index of the phantom with the medium is critical to avoid distortion and refraction of the light. Glycerol water was found to be an effective medium for refractive index matching. Overall, the successful testing of the mock circulatory loop provides valuable insights into the flow structure within the heart, aiding in the development of future LVADs. This research is significant in advancing the cardiology field and will potentially benefit many patients suffering from heart disease. / Master of Science / This research paper focuses on developing and testing left ventricle assist devices (LVADs) using a mock circulatory loop tool. Heart disease is a leading cause of death in America, and LVADs provide an effective solution for patients with severe coronary artery disease who are not eligible for heart transplants. However, before testing LVADs on humans, extensive performance and reliability testing is required as per Food and Drug Administration guidelines. Mock circulatory loops are a tool that helps simulate the cardiac cycle and capture pressure and flow meter readings. The researchers developed and tested a mock circulatory loop that could accurately capture pressure and flow meter readings. They used various materials to create a transparent phantom that allowed them to see inside the loop. The researchers found that the surface roughness of the phantom was important for optical clarity, and they achieved optimal clarity using 800-grit sandpaper. They also studied the impact of pressure differences between the aortic and mitral inlet/outlets. They found that the loop's resistance can be modified to achieve elevated pressure in the aortic outlet. To study the flow structure within the heart, the researchers used a technique called particle image velocity. They emphasized the importance of refractive index matching, which helps avoid distortion and refraction of light. The researchers found that glycerol water was an effective medium for refractive index matching. Overall, the successful testing of the mock circulatory loop provides valuable insights into the flow structure within the heart, aiding in the development of future LVADs. This research has significant implications for advancing the cardiology field and potentially benefitting many patients suffering from heart disease.

A Left Ventricular Assist Device (LVAD) is a mechanical pump that provides temporary circulatory support when used as bridge-to-transplantation and relieves workload demand placed on a failing heart allowing for myocardia recovery when used as destination therapy. Stroke is the most devastating complication after ventricular assist device (VAD) implantation, with an incidence of 14-47% over 3-6 months. This complication due to thrombus formation and subsequent transport through the vasculature to cerebral vessels continues to limit the widespread implementation of VAD therapy. Patient-specific computational fluid dynamics (CFD) analysis may elucidate ways to reduce this risk. We employed a multi-scale model of the aortic circulation in order to examine the effects on flow conditions resulting from varying the VAD cannula implantation location and angle of incidence of the anastomosis to the ascending aorta based on a patient-specific geometry obtained from CT scans. The multi-scale computation consists of a 0D lumped parameter model (LPM) of the circulation modeled via a 50 degree of freedom (DOF) electrical circuit analogy that includes an LVAD model coupled to a 3D computational fluid dynamics model of the circulation. An in-house adaptive Runge-Kutta method is utilized to solve the 50 DOF LPM, and the Starccm+ CFD code is utilized to solve the flowfield. This 0D-3D coupling for the flow is accomplished iteratively with the 0D LPM providing the pulsatile boundary conditions that drive the 3D CFD time-accurate computations of the flowfield. Investigated angle configurations include cannula implantations at 30°, 60° and 90° to the right lateral wall of the ascending aorta. We also considered placements of the VAD cannula along the ascending aorta in which distances of the VAD anastomosis is varied relative to the take-off of the innominate artery. We implemented a mixed Eulerian-Lagrangian particle-tracking scheme to quantify the number of stroke-inducing particles reaching cerebral vessel outlets and included flow visualization through streamlines to identify regions of strong vorticity and flow stagnation, which can promote thrombus formation. Thrombi were modeled as spheres with perfectly elastic interactions numerically released randomly in time and space at cannula inlet plane. Based on clinical observation of the range of thrombus sizes encountered in such cases, particle diameters of 2.5mm and 3.5mm were investigated in our numerical computations. Pulsatile flow results for aforementioned angles suggest that a 90° cannula implementation causes flow impingement on the left lateral aortic wall and appears to be highly thrombogenic due to large momentum losses and zones of large re-circulation and that shallow and intermediate cannula angles promote more regular flow carrying particles towards the lower body potentially reducing stroke risk. Indications from this pulsatile numerical study suggest that up to a 50% reduction in stroke rate can be achieve with tailoring of cannula implantation. Results are consistent with significant reduction in stroke incidence achieved by tailoring cannula implantation as reported in previous steady flow computations carried out by our group. As such, results of this study suggest that a simple surgical maneuver in the process of VAD implantation may significantly improve patient life.

Heart transplant is often considered the best treatment for prolonged left ventricular failure. However due to limited donor hearts and ineligibility of some patients to get a transplant, heart assist devices are considered a short/long term option to assist the failing ventricle. Numerous in vitro and animal trials are conducted to study the flow fields in artificial ventricles to avoid hemolysis and thrombosis but the effects of flow fields corresponding to the angle of LVAD insertion into the aorta are often neglected. This experiment uses 30, 60 and 90 degree glass models to signify different angles of the surgical end to side anastomosis. Particle Image Velocimetry is used to study the flow fields at the interface and determine optimum angle amongst the three to avoid blood trauma. Use of a 30 degree glass interface minimizes stagnation zone, recirculation patterns, flow reversal, high shear region and other flow irregularities which may lead to reduced hemolysis, thrombosis and blood trauma in a clinical setting.

Heart failure (HF) is one of the top causes of mortality in the United States and globally. In order to combat the high mortality rates of this disease, medical technology, including internal cardioverter defibrillators (ICD) and left ventricular assist devices (LVAD), have become one of the most common treatments. Over the past 10 years the utilization of these cardiac devices has increased exponentially, which has created a new phenomenon of how we discuss death with patients who have one of these devices. The purpose of this dissertation is to increase understanding of the end-of-life decision making processes and current experiences that patients with a cardiac device are having. This dissertation includes four original manuscripts that focus on patients with a cardiac device and their experiences with decision-making at the end-of-life. The first paper is a data-based paper that examines experiences of patients with an ICD and what factors are associated with having a conversation with their providers about end-of-life. The second paper is an integrative review of the literature regarding what is currently known about end-of-life with an LVAD. The third paper is a psychometric evaluation of the Control Attitudes Scale-Revised (CAS-R) for patients with an LVAD. The fourth paper is a data-based manuscript that looks at patients with an LVAD and their attitudes and experiences with end-of-life conversations with providers and next-of-kin and the impact of cognition on these attitudes and experiences. The findings of this dissertation will hopefully inform providers of patients with cardiac devices about their patients end-of-life decision making processes. It will also demonstrate the gaps that are currently in practice, and ideally be able expand on how to assist patients and providers on improving communication about end-of-life decision making.

A computational model has been developed to study the effects of left ventricular assist devices (LVADs) on the cardiovascular system during a ventricular collapse. The model consists of a toroidal pulsatile blood pump and a closed loop circulatory system. Together, they predict the pump's motor current traces that reflect ventricular suck-down and provide insights into torque magnitudes that the pump experiences. In addition, the model investigates likeliness of a suction event and predicts reasonable outcomes for a few test cases. Ventricular collapse was modeled with the help of a mock circulatory loop consisting of a artificial left ventricle and centrifugal continuous flow pump. This study also investigates different suction detection schemes and proposes the most suitable suction detection algorithm for the TORVAD pump, toroidal left ventricular assist device. Model predictions were further compared against the data sampled during in vivo animal trials with the TORVAD system. The two sets of results are in good accordance. / text

The most recognized risk associated with the HeartMate II is thrombosis. In the presence of developing clot, the HeartMate II Display Monitor and System Controller senses a decrease in pump flow and is accompanied by audible and visual alarms when flow rates drop below a certain threshold; however, when flow is completely inhibited, the Display Monitor and System Controller both fail to indicate that flow has reduced to zero and does not produce any corresponding alarms. To test the efficacy of the HeartMate II alarms, the Donavan Mock was used to simulate the hemodynamics of a typical heart failure patient. The hemodynamics were then improved by the addition of the HeartMate II LVAS. Partially occluding the inflow and outflow of the HeartMate II did display changes in flow and presented with alarms when appropriate; however, complete occlusions of the device failed to produce any alarms or accurate changes in flow.

Background: Temporary mechanical circulatory support device without sternotomy has been highly advocated for severe cardiogenic shock patient but little is known when coupled with amniotic stem cell therapy. Case presentation: This case reports the first dual therapy of temporary left ventricular extracorporeal device CentriMag with distal banding technique and human amniotic stem cell injection for treating a severe refractory cardiogenic shock of an 68-year-old female patient. A minimally-invasive off-pump LVAD was established by draining from the left ventricle and returning to the right axillary artery with distal arterial banding to prevent right upper extremity hyperperfusion. Amniotic stem cells were injected intramyocardially at the left ventricular apex, lateral wall, inferior wall, and right subclavian vein. Conclusion: The concomitant use of the temporary minimally-invasive off-pump CentriMag placement and stem cell therapy not only provided an alternative to cardiopulmonary bypass and full-median sternotomy procedures but may have also synergistically enhanced myocardial reperfusion and regeneration.

Zwischen dem 10.09.2014 und 13.04.2016 wurde am Herzzentrum Leipzig das LVAD vom Typ Heartmate III bei 25 Patienten implantiert. Diese Arbeit befasst sich mit dem postoperativen Verlauf dieser Patienten. In die Studie wurden die ersten 25 Patienten, die am Herzzentrum Leipzig mit einem Heartmate III-System versorgt wurden, eingeschlossen. Die Auswertung der prä-, peri- und postoperativen Ergebnisse erfolgte retrospektiv anhand vorliegender Patientenakten sowie verschiedener EDV-Programme. Anschließend wurden aufgetretene unerwünschte Ereignisse zum einen nach 30 Tagen und zum anderen nach 365 Tagen dokumentiert. Der überwiegende Anteil der Patienten war männlichen Geschlechts (92%) und das mittlere Alter betrug 59,2 ± 10,34 Jahre. Als Diagnose lag bei etwa der Hälfte (52%) der Betroffenen eine ICM und bei der anderen Hälfte (48%) eine DCM vor. Nahezu alle Patienten befanden sich zum OP-Zeitpunkt im NYHA-Stadium III (48%) oder IV (44%) bzw. wiesen überwiegend die INTERMACS-Stufen 3 (64%) und 4 (28%) auf, 8% der Patienten befanden sich zum OP-Zeitpunkt in der Stufe 1. Insgesamt handelte es sich bei den Patienten um eine kardial stark vorbelastete Klientel mit einer großen Zahl an Komorbiditäten sowie stark erhöhten Druckverhältnissen im kleinen Kreislauf. Das angestrebte Behandlungsziel war in 40% der Fälle eine Überbrückung zur Transplantation (BTT), 36% der Patienten erhielten das Heartmate III als Dauertherapie (DT) und bei 24% war die endgültige Entscheidung bezüglich des Therapieziels noch nicht getroffen. Es zeigte sich bei unseren Patienten eine 30-Tage- bzw. 1-Jahres-Überlebensrate von 96 % bzw. 72 %. Todesursachen waren in vier Fällen ein Multiorganversagen, zwei Patienten verstarben an einer Sepsis infolge einer Driveline-Infektion und ein Patient durch Suizid. Zu den dominierenden Ereignissen im gesamten Beobachtungsjahr nach LVAD-Implantation zählten Blutungen (52%), Sepsis (44%) und Nierenversagen (40%). Aber auch Rechtsherzversagen (36%), Herzrhythmusstörungen (36%), Driveline-Infektionen (32%), neurologische Ereignisse (24%) und Wundkomplikationen (20%) waren häufige Komplikationen nach Einsetzen des Systems. Blutungen, Nieren- und Rechtsherzversagen sowie neurologische Ereignisse traten dabei vor allem frühzeitig nach der Implantation auf, während Sepsis, Driveline-Infektionen und Wundkomplikationen die vorherrschenden Ereignisse des zweien Beobachtungszeitraumes darstellten. Pumpenthrombosen, Pumpenwechsel sowie Hämolysen wurden während des gesamten Beobachtungszeitraumes nicht beobachtet. Zusammenfassend lässt sich somit ein mit anderen Studien vergleichbares Patientenkollektiv feststellen. Auch die postoperativen Ergebnisse entsprechen denjenigen vergleichbarer internationaler Arbeiten. Limitiert wurde die Studie vor allem durch eine geringe Fallzahl aufgrund der niedrigen Operationsfrequenz. Das neue System scheint jedoch sicher in der Therapie der fortgeschrittenen Herzinsuffizienz und geeignet für die Anwendung als BTT und DT.

Die exakte Überwachung des INR-Wertes nach Implantation eines LVADs ist ein wichtiges Instrument, um das Risiko von Thrombosen oder Blutungskomplikationen zu reduzieren. Verschiedene Dienstleister bieten für diesen Zweck einen telemedizinischen Service an, der die Antikoagulation effektivieren soll. In dieser Studie untersuchten wir, ob eine telemedizinische Unterstützung die INR-spezifische Zeit im therapeutischen Bereich erhöht und damit Komplikationen senkt. Insgesamt wurden in unserer Studie 30 antikoagulierte Patienten für einen Studienzeitraum von einem Jahr eingeschlossen. Die Patienten wurden dabei in eine Gruppe mit zusätzlichem, telemedizinischen Antikoagulationsservice (Coagulation service; CS; n=15) und eine regulär versorgte Gruppe (Regular medical care; RMC; n=15) randomisiert. Mittels eines Fragebogens wurden zudem die Zufriedenheit und das psychische Wohlbefinden der Patienten ermittelt (1: sehr unzufrieden; 10: sehr zufrieden). Beide Studiengruppen waren hinsichtlich Alter, Geschlecht, Body-Mass-Index (BMI), Art des implantierten LVADs, Komorbiditäten, Medikation mit dem Vitamin-K-Antagonisten, thromboembolischer Ereignisse und Blutungskomplikationen vergleichbar (p > 0,05). Beide Gruppen wiesen ein hohes kardiovaskuläres Risikoprofil auf. Um weitere Einflussfaktoren bezüglich der INR-Wert-Variabilität zu identifizieren, wurden alle Medikamente, die die Patienten im Studienzeitraum einnahmen, dokumentiert und hinsichtlich ihrer Wechselwirkungen mit Phenprocoumon untersucht. Es gab keine signifikanten Unterschiede bezüglich dieser Medikamente zwischen den Gruppen. Beide Studiengruppen maßen ihren INR-Wert im häuslichen Umfeld mithilfe des CoaguChek®-Gerätes. Die Zuverlässigkeit dieses Gerätes wurde in mehreren Studien bewiesen (49–54). Barcellona et al. zeigten, dass im Vergleich zu monatlichen Kontrollen in einer Ambulanz, die INR-Werte mit diesem Gerät häufiger gemessen werden und somit das Intervall zwischen den Messungen deutlich verkürzt werden kann (38). Somit waren die Patienten in der Lage, auf mögliche INR-Schwankungen eher zu reagieren. Da Silva Saraiva et al. wiesen nach, dass die INR-Werte mit einer Korrelation von 94 % mit Kontrollmessungen in einem Labor übereinstimmen und die Messungen somit valide und präzise sind (55). Lee et al. zeigten ebenfalls, dass das CoaguChek®-Gerät eine gute Präzision und eine exzellente Korrelation der gemessenen INR-Werte mit den im Labor bestimmten INR-Werten besitzt (56). Der primäre Endpunkt der Studie, der als TTR definiert wurde, war in der CS-Gruppe niedriger (58 % vs. 78 % bei Rosendaal- und 60 % vs. 77 % bei konventioneller Berechnung) als in der RMC-Gruppe (pkonventionell=0,03, pRosendaal=0,03). Somit waren in unserem Studienzeitraum die Patienten der CS-Gruppe in ihrer Antikoagulation schlechter eingestellt als die Kontrollgruppe. Alle Patienten wurden bei Studieneinschluss dazu angehalten, zwei Mal wöchentlich ihren INR-Wert zu Hause mithilfe des CoaguChek® zu ermitteln. Die Patienten der RMC-Gruppe führten die INR-Messung signifikant seltener als erforderlich durch, während die Patienten der CS-Gruppe die Messungen häufiger als erforderlich vor allem zu Studienbeginn durchführten und am Ende der Studienperiode zur erforderlichen Anzahl von INR-Messungen zurückkehrten. Die Patienten in der CS-Gruppe hatten somit insgesamt eine höhere Anzahl von INR-Messungen als die Patienten in der RMC-Gruppe (CS-Gruppe: 100,7 ± 87,6, RMC-Gruppe: 34,0 ± 6,5; p=0,01), was zu einem Unterschied in der Zeit zwischen den INR-Messungen führte (RMC-Gruppe: 10,3 ± 2,1 Tage, CS-Gruppe: 3,7 ± 2,1 Tage; p<0,01). Als Ursache der gehäuften INR-Messungen der CS-Patienten lässt sich die Hypothese aufstellen, dass dies durch den sogenannten Nocebo-Effekt hervorgerufen wird. Dieser Effekt beschreibt die Induktion oder Verschlimmerung von Symptomen durch Schein- oder aktive Interventionen (60). Mögliche Auslöser dieses Effekts können generelle Verunsicherung durch das neu zur Alltagsversorgung hinzugekommene Vitaphone-Gerät®, Überforderung in der Bedienung des Gerätes sowie negative Erwartungshaltungen sein. Die Komplikationsrate nach LVAD-Implantation bestimmt maßgeblich das Outcome der Patienten. Die häufigste Blutungskomplikation in unserer Studiengruppe stellte dabei die gastrointestinale Blutung dar. Bei 7 % der CS-Patienten sowie 13 % der RMC-Patienten trat diese Blutung im Studienzeitraum auf. Als thromboembolische Komplikationen traten am häufigsten LVAD-Thrombosen sowie Transitorisch ischämische Attacken (TIA)/Schlaganfälle auf. In beiden Gruppen traten bei 7 % LVAD-Thrombosen auf. Zudem erlitten 20 % der CS-Patienten und keiner der RMC-Patienten eine TIA oder einen Schlaganfall. Ein signifikanter Unterschied in den postoperativen Komplikationen konnte nicht nachgewiesen werden. Der den Patienten zu Studienbeginn ausgehändigte Fragebogen wurde von 28 Patienten vollständig ausgefüllt. Von den Befragten lebten 71,4 % der CS-Gruppe und 92,9% der RMC-Gruppe zu Hause mit Verwandten. Zudem lebten 28,6 % der Patienten in der CS-Gruppe allein zu Hause, während niemand in der RMC-Gruppe allein lebte. Die Mehrheit der Patienten legte einen Sekundarschulabschluss ab. Die Zufriedenheit der Patienten mit der Gerinnungseinstellung zu Beginn der Studie (CS: 6,9 ± 3,2, RMC: 7,3 ± 3,0; p=0,72) und ihrem aktuellen Gesundheitszustand (CS: 5,6 ± 3,1, RMC: 7,0 ± 1,9; p=0,18) unterschied sich zwischen den Gruppen nicht signifikant. In unserer einjährigen Studie an einer kleinen Studienkohorte von LVAD-Patienten deutet die signifikant höhere Zeit im therapeutischen Zielbereich in der RMC-Gruppe im Vergleich zur CS-Gruppe darauf hin, dass die Effizienz und Qualität der Antikoagulationstherapie durch einen spezialisierten, telemedizinischen Service bei LVAD-Patienten nicht verbessert wird. Der zusätzliche Koagulationsservice zeigte in unserer Studienkohorte keinen Vorteil bezüglich der TTR und verursachte mit 2000,-Euro pro Monat pro Patienten hohe zusätzliche Kosten. Eine ausführliche Schulung durch erfahrenes Personal und die intensive Betreuung und Beratung der Patienten in einer Spezialambulanz waren in der Lage, einen zusätzlichen Koagulationsservice zu ersetzen. Diese Behauptung lässt sich durch verschiedene Studien, die sich mit Patientenschulungen auseinandersetzen, stützen. Beispielsweise spielen bei der praktischen Umsetzung adhärenzfördernder Maßnahmen laut Unverzagt et al. spezialisierte Pflegekräfte in Krankenhäusern und speziell geschulte Arzthelferinnen in Arztpraxen eine entscheidende Rolle (62). Eine weitere Studie von Cui et al. konnte zeigen, dass ein strukturiertes Patientenschulungsprogramm zu einer signifikanten Verbesserung der Medikamentenadhärenz, der Ernährung, der sozialen Situation und der Symptomkontrolle bei ländlichen Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz führt. Darüber hinaus war dieses Programm mit einer signifikanten Reduktion der Krankenhauswiederaufnahme verbunden (63). Telemedizinische Interventionen können jedoch auch eindeutige Vorteile für die Patientenversorgung hervorrufen. So zeigten Schmidt et al. eine verbesserte Nachsorge bei LVAD-Patienten, die eine telemedizinische Smartphone-Applikation nutzten (46). Mehrere Studien wiesen eine Reduktion der Rehospitalisierungsrate sowie der Mortalität durch Telemonitoring bei Patienten mit Herzinsuffizienz nach (41,42). Dieser mortalitätssenkende Effekt konnte auch in der Metaanalyse und Metaregression von Xiang et al. nachgewiesen werden (43). Die TIM-HF2-Studie deutete darauf hin, dass eine strukturierte Intervention zum Fernmanagement von Patienten, wenn diese in einer gut definierten Herzinsuffizienz-Population eingesetzt wird, den Prozentsatz der verlorenen Tage bis zur notwendigen Krankenhausaufnahme aufgrund kardiovaskulärer Erkrankungen reduzieren kann (44). Zudem zeigte sich eine Reduzierung der Gesamtmortalität (44). Dass telemedizinische Interventionen nicht immer einen positiven Effekt hervorrufen, zeigten Hanlon et al. in deren Metareview zu telemedizinisch vermitteltem Selbstmanagement bei chronischen Erkrankungen. In diesem ließ sich keine Überlegenheit gegenüber der regulären Versorgung nachweisen (47). Insgesamt ist die Studienlage zu telemedizinischen Interventionen bei LVAD-Patienten noch gering. Daher sehen wir diese Arbeit als einen wichtigen Schritt zur Beurteilung von neuen Therapiemöglichkeiten bei LVAD-Patienten. Eine konsequente Weiterentwicklung der telemedizinischen Unterstützung hinsichtlich eines Service, der neben INR-Werten auch andere patientenspezifische Daten wie beispielsweise den Blutdruck, die Herzfrequenz, Fotos der Driveline und weitere klinische Daten erfasst, könnte dennoch erstrebenswert sein.:1 Einführung 1.1 Herzinsuffizienz 1.2 Therapie der symptomatischen Herzinsuffizienz und mechanische Herzunterstützung 1.3 Funktionsweise eines LVADs 1.4 Komplikationen und Antikoagulation 1.5 Telemedizin 1.6 Fragestellung 2 Publikationsmanuskript 3 Zusammenfassung 4 Abbildungsverzeichnis 5 Tabellenverzeichnis 6 Literaturverzeichnis 7 Darstellung des eigenen Beitrages 8 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 9 Erklärung über die Vorbehaltlichkeit der Verfahrenseröffnung 10 Kurzlebenslauf

No description available.