Análisis in vitro de la influencia sobre el campo de flujo de dos modelos de válvulas cardiacas mecánicas bivalvas mediante un túnel de viento

Introducción

Las prótesis valvulares cardiacas se evalúan mediante diferentes técnicas que involucran ensayos in vitro y métodos computacionales, además de los estudios clínicos convencionales. Los datos funcionales a evaluar reflejan la necesidad de contar con métodos de gran sensibilidad para determinar su operación en condiciones que emulen situaciones hemodinámicas específicas. Con este objetivo se proyectó un método alternativo que ayuda a un mejor entendimiento de la funcionalidad de estos dispositivos, analizando el comportamiento fluidodinámico in vitro de dos modelos de válvulas mecánicas cardiacas mediante un túnel de viento.

Métodos

Se diseñó y desarrolló un túnel de viento disponiendo condiciones instrumentales que permitieran evaluar las válvulas mecánicas en distintas situaciones fluidodinámicas: túnel subsónico de sección circular (norma ANSI/AMCA_210-99 y ANSI/ASHRAE_51-99). Empleando el método de similitud dinámica se caracterizó la experimentación utilizando valores típicos de caudales y propiedades de la sangre en un adulto sano.

Resultados y discusión

Se evaluaron dos modelos valvulares tipo SJM®, uno de valvas planas y una variante de valvas convexas, con flujos de aire equivalentes a caudales sanguíneos de 1,5, 6,0 y 9,3 L/min. La prótesis de valvas convexas presenta un flujo dividido en tres campos equivalentes, a diferencia de la de valvas planas que tiene un flujo más pequeño en la parte central y dos laterales predominantes. El fenómeno de arrastre producido por las dos corrientes externas con respecto a la central, genera un RNS mayor para la válvula tipo SJM® que para la variante con valvas convexas. El campo de velocidad adyacente al lado convexo, se halla menos afectado por la turbulencia que en el caso de la valva plana; pero al contrario, el campo adyacente al lado cóncavo está más afectado por fenómenos fluidodinámicos locales: cambios de dirección, reducción de área y aumento de velocidad.

Conclusiones

El método implementado aprovecha las características fluidodinámicas del aire en un banco de pruebas: túnel de viento, para hacer la evaluación in vitro de la influencia sobre el campo de flujo y fuerzas cortantes de diferentes modelos de válvulas cardiacas mecánicas, obteniendo mayor sensibilidad que otras alternativas disponibles. El sistema se usó para evaluar dos tipos de prótesis, mostrando que las valvas curvas tienden a presentar una menor disrupción del flujo que las valvas planas. La implementación del sistema presentado como un nuevo banco de pruebas, permite extraer conclusiones que sirven como base en el diseño de las prótesis, buscando ofrecer menor trastorno hemodinámico.

Introduction

Prosthetic heart valves are evaluated using different techniques that involve in vitro studies and computational methods in addition to conventional clinical studies. Functional data to evaluate reflect the need for highly sensitive methods to determine its operating conditions that may emulate specific hemodynamic situations. With this objective, we designed an alternative method for better understanding the functionality of these models, analyzing in vitro fluid dynamic behavior of two models of mechanical heart valves using a wind tunnel.

Methods

We designed and developed a wind tunnel providing instrumental conditions that permit the evaluation of mechanical valves in different fluid dynamic conditions: subsonic tunnel of circular section (standard ANSI/AMCA_210-99 and ANSI/ASHRAE_51-99). Using the method of dynamic similarity, the experiment was characterized using typical values of flow rates and blood properties in a healthy adult.

Results and discussion

We evaluated two SJM® valve models, one with flat leaflet, and a variant of convex valves with air flows equivalent to blood flow rates of 1.5, 6.0 and 9.3 L/min. The convex valve prosthesis has a flow divided in three equivalent fields, in contrast to the flat valves that have a smaller central flow and two predominant laterals. The drag phenomenon produced by the two external currents wit regard to the central generates a higher RNS for the SJM® valve than the generated for the variant of convex valves. The velocity field adjacent to the convex side is less affected by turbulence than in the case of the flat leaflet, but on the contrary, the adjacent field to the concave side is more affected by local fluid dynamic effects: changes in direction, area reduction and increased velocity.

Conclusions

The implemented method uses fluid dynamic characteristics of air in a wind tunnel, for in vitro evaluation of the influence on the flow field and shear forces of different models of mechanical heart valves, obtaining higher sensitivity than other alternatives available. The system was used to evaluate two types of prosthesis, showing that the curve leaflets tend to have less disruption of the flow than the flat valves. The implementation of the system presented as a new test bench allows to draw conclusions that serve as the basis for the design of the prosthesis, looking to offer less hemodynamic disturbance.