2D-Korrelation von lokaler Hämodynamik im Modell und Histologie der Pseudointima der femorokruralen ePTFE-Bypassanastomose unter Verwendung der Particle Image Velocimetry

Abstract

Aufgrund der Komorbidität gefässchirurgischer Patienten besteht oft keine Alternative zur synthetischen Gefässprothese, wenn körpereigenes Gefässmaterial im Rahmen anderer Revaskularisationseingriffe bereits verwendet wurde. Dabei wird die hohe Frühverschlussrate in Kauf genommen. Der Patient muss dann lebenslänglich blutverdünnende Medikamente einnehmen, um der Thrombogenität des synthetischen Prothesenmaterials entgegenzuwirken. Dennoch wird nicht annähernd die gleiche Offenheitsrate wie bei autologen Grafts erreicht. Besonders niedrig ist die Offenheitsrate für ePTFE-Prothesen mit einem Innendurchmesser kleiner 6 cm. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob sich fluiddynamische Aspekte zur Verbesserung der Offenheitsrate ergeben. Hierzu wurde die Studie in zwei Arme aufgeteilt: (1) Im Tiermodell betrug die Offenheitsrate nativer femoropoplitealer Bypassimplantate 67%. Der Fluss war nach 6 Wochen auf rund 30% des Ausgangswertes reduziert. (2) Im Silikonmodell der proximalen und distalen Bypassanastomose wurde das Geschwindigkeitsvektorfeld mittels der PIV unter physiologischen Kreislaufbedingungen gemessen und der Scherstress sowie die Vorticity berechnet. In beiden Anastomosen wurden Abrissströmungen mit der Ausbildung von Sekundärflusszonen zwischen Hauptstrom und Wand nachgewiesen. Hierunter fallen Rezirkulations- und Stagnationszonen. Die graphische, 2-dimensionale Korrelation der Histologie der Bypassexplantate mit den Flussvisualisierungen der PIV ergab eine Kongruenz zwischen den PI-Arealen und Sekundärflusszonen. Der Vergleich der Messwerte mit dieser Kongruenz zeigte die Begrenzung der PI durch eine relative Hochscherstresszone mit hohem negativem Gradienten zur Umgebung. Die Ergebnisse waren statistisch eindeutig und signifikant. Die IH bezeichnet den erweiterten Abstand zwischen der Endotheloberfläche und der Lamina elastica interna im nativen Arterienquerschnitt. Die PI entspricht dagegen in ihrer Ausdehnung der gesamten Dimension neointimaler Prozesse in ePTFE-Grafts. Beide neointimalen Prozesse werden durch die Anwendung antithrombotischer Substanzen in ihrer Entstehung entsprechend gehemmt. Die PI scheint dabei wie die IH massgeblich durch die lokale Hämodynamik beeinflusst. Dabei entsteht erstere in Sekundärflusszonen. Schlussfolgernd lässt sich die PI-Ausbildung durch die Unterdrückung von Sekundärflüssen vermeiden und die Offenheitsrate verbessern. Bisherige Anastomosenformen sind die gerade Anastomose, der Linton- und Taylor-Patch sowie der Miller-Cuff. Sie zeigen trotz ihrer unterschiedlichen Formen keine signifikanten Unterschiede in ihren Offenheitsraten. Daher ist zur Etablierung einer neuen Bypassgeometrie unter Verwendung von ePTFE ein vollkommen neues Design erforderlich, welches auf der Grundlage der hier gemachten Überlegungen zu einer erhöhten Offenheitsrate führen muss. Ähnliche Vermutungen über einen Zusammenhang zwischen Sekundärflüssen und der IH- Ausbildung bestehen bereits.

Background: Small diameter ePTFE grafts (expanded polytetrafluoroethylene) with low flow conditions are susceptible to thrombosis and pseudointima development. Little is known about spatial correlation between the pseudointima elongation and the local distribution of shear stress gradients. We aimed to determine significant shear stress gradients and their spatial relation to the pseudointima. Methods: Firstly, 9 native femoro-popliteal ePTFE grafts (diameter 4 mm) were implanted into 7 pigs. After a follow-up period of 6 weeks, the prostheses were excorporated and histologically processed. Secondly, in order to assemble data about the fluid mechanics inside this anastomosis, we used the technique of particle image velocimetry. Finally, results of both studies were spatially 2-dimensionally correlated to compare pseudointima extension and shear stress gradients during the systole. Results: We observed a separation zone at all upstream convexities caused by eddying of the mainstream. Furthermore we perceived pseudointima extension exactly within these zones. The highest vorticity was measured in the transition zone between mainstream and separation zone. In addition, the shear stress appeared to be significantly higher in the transition zone in comparison to surrounding areas. Conclusions: The pseudointima extension does not exceed the transition zone. Conversely, we expect the pseudointima to be effectively reduced by a new prosthetic design that averts separation zones.