Funktionsanalyse mechanischer und biologischer Herzklappenprothesen durch holographische Interferometrie

Für viele Patienten mit Herzklappenerkrankungen besteht als einzige Behandlungsmöglichkeit der operative Austausch der erkrankten Klappe gegen eine Herzklappenprothese. Die natürliche menschliche Herzklappe besitzt jedoch in Bezug auf Funktion und Aufbau einzigartige Eigenschaften, die im Normalfall zu einer lebenslangen Funktion führen und die von künstlichen Herzklappenprothesen nur unvollständig nachgeahmt werden können. Sowohl in mechanischen als auch in biologischen Herzklappenprothesen sind oft bereits bei der Implantation verborgene Strukturdefekte vorhanden, die unter der permanenten Belastung nach Implantation schließlich zum Versagen der Prothese führen. In diesem Projekt wurde erstmals die holographische Interferometrie zur Analyse von biologischen Herzklappenprothesen eingesetzt. Das hier am Labor für Biophysik entwickelte Verfahren ermöglicht es, in-vitro berührungslos und zerstörungsfrei Strukturdefekte der Klappenmaterialien zu entdecken, die bei einer Oberflächenbetrachtung mit dem Mikroskop verborgen bleiben.

Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, daß die holographische Interferometrie eine sehr genaue Erkennung von intrinsischen Strukturdefekten in herkömmlichen künstlichen Herzklappen möglicht. Dies gilt sowohl für mechanische als auch für biologische Herzklappenprothesen. Der Vorteil der holographischen Interferometrie ist die völlig berührungslose Vollfeld- Untersuchung des Objektes, d.h. eine zu untersuchende Herzklappe kann mit einem Meßvorgang in allen Abschnitten beurteilt werden.

Die holographischen Untersuchungen von handelsüblichen Bioprothesen zeigten einen unerwarteten Befund. Bei der Mehrzahl der analysierten Klappen fanden sich Auffälligkeiten in den Interferogrammen, die Hinweise auf Schädigungen der Gewebetextur gaben. Eine Häufung holographisch detektierter Anomalien in den Bioprothesen läßt sich im Bereich der Kommissuren und der basalen Befestigungsnaht der Leaflets an den Stents beobachten. An diesen Stellen beschreibt die Literatur die Ausgangspunkte für die Verkalkung der Grafts und führt dies auf die hohe mechanische Belastung des Gewebes in diesen Arealen zurück. Zum Zeitpunkt der holographischen Messung sind die Klappen noch keiner mechanischen Beanspruchung ausgesetzt gewesen, dennoch lassen sich Defekte nachweisen, die sich in gezielten histologischen Schnitten tatsächlich als Strukturdefekte des Klappengewebes beweisen lassen.

Derzeit wird verstärkt an der Erweiterung und Optimierung des Meßverfahrens gearbeitet, um so Herzklappenprothesen verschiedener Geometrien und Hersteller untersuchen zu können.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft DE 687 / 1-2

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. h.c. (Acad. Sci. UA) G. von Bally (Projektleiter), Dipl.-Phys.Ing W. Castellûn, Dipl. Ing A. Merker, Prof. Dr. H. Scheld (Klinik für Torax-, Herz- und Gefäßchirurgie), Priv. Doz. Dr. med M. Deiwick (Klinik für Torax-, Herz- und Gefäßchirurgie), Prof. Dr. med N. Willich (Institut für Klinische Radiologie), Prof. Dr. rer. nat R. Reichelt (Institut für Medizinische Physik und Biophysik), Prof. Dr. W. Böcker (Pathologisches Institut), Prof. Dr. G. Rau (Helmholtz Institut für Biomedizinische Technik, RWTH-Aachen), Dr. B. Glasmacher (Helmholtz Institut für Biomedizinische Technik, RWTH-Aachen)

Veröffentlichungen:

Deiwick, M., B. Glasmacher, A. Zarubin, H. Reul, M. Geiger, G. von Bally, A. Stargardt, G. Rauz, H. Scheld: Quality control of bioprosthetic heart valves by means of holographic interferometry, J. Heart Valve Disease 5 (1996) 441-447

Zarubin, A., G. von Bally, M. Deiwick, A. Geiger, H. Scheld: Holographic methods for quality monitoring and stress visualisation in biological and mechanical prothetic heart valves, Proc. SPIE 2628 (1995) 165

Deiwick, M., B. Glasmacher, H.A. Baba, N. Roeder, H. Reul, G. von Bally, H. H. Scheld : In Vitro Testing of Bioprostheses: Influence of Mechanical Stresses and Lipids on Calcification, Ann Thorac Surg 1998; 66: S206-11, Elsevier

Deiwick, M., B. Glasmacher, D.T. Tjan, H. Reul, G. von Bally, H. H. Scheld: Holographic Interferometry and In Vitro Calcification: Comparing Pericardial Versus Porcine Bioprostheses, The Journal of Heart Valve Disease 1998; 7: 419-427