Die Hämodynamik von femoro-cruralen Bypassanastomosen in vitro Untersuchung mittels Particle Image Velocimetry

Abstract

Die moderne Gefäβchirurgie bedient sich bei hohen Stadien der pAVK, spezieller Gefäβrekonstruktionen in Form von distalen End-zu-Seit-Gefäßanastomosen. Das langfristige Versagen der Gefäβanastomose hängt primär von der Entstehung einer subendothelialen Intimahyperplasie (IH) ab. Diese IH-Gebiete befinden sich je nach Anastomosengeometrie im Gebiet der Hauben- und Fersenzone sowie am Boden der Anastomose. Mit Hilfe der Particle Image Velocimetry-Technik wird eine Taylor-Patch-, eine Miller-Cuff-Anastomose und eine femoro-crurale Patch- Prothese bezüglich ihrer Flussmuster sowie ihrer hämodynamischen Eigenschaften wie Geschwindigkeit, Scherstress und Rotation in z-Richtung (Vorticity) untersucht. In einem hydrodynamischen Kreislaufmodell werden elastische, transparente Silikonmodelle der Anastomosen hergestellt und mit einem blutanalogen Newtonschen Fluid (Glycerol-Wasser-Gemisch) unter Simulation der femorocruralen Druckkurve, pulsatil bei Variation der Strömungsbedingung perfundiert. Der periphere Widerstand beträgt 0,5 mmHg/ml/min (PRU) und die Phasenverschiebung -12° (zwischen Druck- und Flusskurve). Die Flussmuster variieren zwischen den unterschiedlichen Ausstromverhältnissen erheblich. Bei den unterschiedlichen Flussstärken hingegen ähneln sich die Flussmuster. Alle drei Modelle zeigen ausgeprägte Flussseparationszonen im Hauben- und Fersengebiet sowie geometrieabhängig auch eine Stagnationszone am Boden. Diese Bereiche wiesen die geringsten Fluidgeschwindigkeiten, deutlich unter normalem Wandscherstressniveau liegende Scherstressverhältnisse sowie geringe Vorticitywerte auf. Im Bereich der Übergangszonen finden sich hohe Scherstress- sowie Vorticitywerte. Geschwindigkeitsunterschiede des Fluids zeigten sich im Bereich der Ausstromsegmente. Variable Stressverteilungen zeigen sich auch innerhalb der Separationszonen. Eine Erklärung für die unterschiedlich beschriebenen Offenheitsraten der drei Anastomosenformen wird durch diese Arbeit nicht gefunden.

Modern vascular surgery uses special termino-lateral anastomoses for treating high levels of peripheral arterial disease (PAD). Long term stenoses and occlusions of vascular anastomoses mostly depend on the development of subendothelial myointimal hyperplasia (MIH). There are characteristic areas within the anastomoses, where this process can be examined: The heel, the tow and the floor zone. This examination observes local hemodynamics like velocity, shear stress and vorticity (rotation in z-direction) and flow patterns of a Taylor-Patch-, a Miller-Cuff-Anastomosis and a feroro-crural patch prothesis (FCPP) with the usage of a Particle Image Velocimetry. In a hydrodynamic circulation model various elastic, transparent silicon phantoms of termino-lateral anastomoses are perfused with a Newton fluid blood analogon (glycerol-water mixture) while simulating the femorocrural pressure curve in a pulsatile manner under variation of the flow conditions. The outflow resistance is 0.5 mmHg/ml/min (PRU, peripheral resistance units) and a phase shift of -12° between flow and pressure curve is simulated. The flow patterns differed extremely in accordance of the various outflow ratios. Using different flow intensity, the flow patterns are very similar. All three anastomoses show characteristic heel and toe separation zones. In the FCPP centre a stagnation zone on the floor can not be examined. Shear stress inside the flow separations was significantly lower than normal wall shear stress. High shear stress levels were found inside the transition zones between flow separation and high velocity mainstream. An explanation for the different stenoses and occlusions time of the three different anastomoses can not be found.