TAVI: Vorhersage undichter Herzklappen per 3-D-Druck

Forscher des US-amerikanischen Wyss Institute haben eine Methode entwickelt, wie sie vor dem Einsatz einer TAVI-Aortenklappe die richtige Größe ermitteln können, um Lecks zu reduzieren. Die Software zur Modellierung der Segel und das 3D-Druckprotokoll stellen sie online frei zur Verfügung.

Forscher des Wyss Institute for Biological Inspired Engineering an der Harvard University haben einen neuartigen 3D-Druckworkflow entwickelt, mit dem Kardiologen untersuchen können, wie verschiedene Klappengrößen mit der individuellen Anatomie jedes Patienten interagieren, bevor eine TAVI tatsächlich durchgeführt wird. Dieses Protokoll verwendet CT-Scandaten, um physikalische Modelle der Aortenklappen eines Patienten zu erstellen, zusätzlich zu einem „Sizer“ zur Bestimmung der perfekten Größe der Ersatzklappe.

Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Forschern und Ärzten des Brigham and Women´s Hospital, der University of Washington, Massachusetts General Hospital, und des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung durchgeführt und ist im “Journal of Cardiovascular Computed Tomography” erschienen.

„Wenn Sie ein Paar Schuhe online kaufen, ohne sie vorher auszuprobieren, besteht eine gute Chance, dass sie nicht richtig passen. Die Größenbestimmung von TAVI-Klappen stellt ein ähnliches Problem dar, da Ärzte  vor der Operation nicht die Möglichkeit haben, zu beurteilen, wie eine bestimmte Klappengröße zur Anatomie eines Patienten passt“, sagte Dr. James Weaver, Senior Research Scientist am Wyss Institute, korrespondierender Autor des Artikels. „Unser integratives 3D-Druck- und Klappengrößen-Bestimmungs-System liefert einen maßgeschneiderten Bericht über die einzigartige Aortenklappenform jedes Patienten. Dadurch werden viele Vermutungen beseitigt und jeder Patient erhält eine Klappe mit einer genauer angepassten Größe.“

Wenn ein Patient eine Ersatz-Herzklappe benötigt, erhält er häufig einen CT-Scan, der eine Reihe von Röntgenbildern des Herzens macht, um eine 3D-Rekonstruktion der inneren Anatomie zu erstellen. Während die Außenwand der Aorta und die damit verbundenen verkalkten Ablagerungen bei einer CT-Untersuchung leicht zu sehen sind, sind die empfindlichen Segel oft zu dünn, um gut sichtbar zu sein.

 “Nachdem eine 3D-Rekonstruktion der Herzanatomie durchgeführt wurde, sieht es oft so aus, als würden die verkalkten Ablagerungen einfach im Inneren der Klappe herumschweben. Dies gibt wenig oder keine Einsicht darüber, wie eine eingesetzte TAVI-Klappe mit ihnen interagieren würde”, erklärte Weaver.

Um dieses Problem zu lösen, hat Ahmed Hosny, der zu dieser Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Wyss Institute tätig war, ein Softwareprogramm entwickelt, das mithilfe parametrischer Modellierung virtuelle 3D-Modelle der Segel erstellt und dabei sieben Koordinaten auf den Klappen jedes Patienten verwendet, die auf CT-Scans sichtbar sind. Die digitalen Segel-Modelle wurden dann mit den CT-Daten zusammengeführt und so angepasst, dass sie korrekt in die Klappe passen.

Das resultierende Modell, das die Segel und die damit verbundenen verkalkten Ablagerungen enthält, wurde dann in einem Modell mit mehreren Materialien 3D-gedruckt.

Das Team druckte auch in 3D ein maßgefertigtes “Sizer”-Gerät, das in das 3D-gedruckte Klappenmodell passt und erweitert und verkleinert wird, um zu bestimmen, welche Größe der künstlichen Klappe für jeden Patienten am besten geeignet ist. Anschließend umwickelten sie den Sizer mit einer dünnen Schicht druckempfindlichen Films, um den Druck zwischen dem Sizer und den 3D-gedruckten Klappen und den damit verbundenen verkalkten Ablagerungen abzubilden, während der Sizer schrittweise erweitert wurde.

“Wir stellten fest, dass die Größe und die Lokalisierung der verkalkten Ablagerungen auf den Segeln einen großen Einfluss darauf haben, wie gut eine künstliche Klappe in eine verkalkte Klappe passt”, sagte Hosny, der derzeit am Dana-Farber Cancer Institute arbeitet. “Manchmal gab es einfach keine Möglichkeit, dass eine TAVI-Klappe eine verkalkte Klappe vollständig abdichtet. Diese Patienten könnten tatsächlich mehr von einer Operationen am offenen Herzen profitieren, damit ein besseres Ergebnis erzielt wird.”

Darüber hinaus könnte das Multimaterial-Design der 3D-gedruckten Klappenmodelle, die flexible Segel und starre kalzifizierte Ablagerungen in einer vollständig integrierten Form enthalten, das Verhalten realer Herzklappen während des Einsatzes künstlicher Klappen viel genauer nachahmen und bei Expansion des Sizers eine haptische Rückmeldung geben.

Das Team testete sein System anhand der Daten von 30 Patienten, die bereits einer TAVI unterzogen wurden. 15 von ihnen hatten Lecks an zu kleinen Klappen entwickelt. Die Forscher prognostizierten, auf der Grundlage, wie gut der Sizer in die 3D-gedruckten Modelle ihrer Aortenklappen passte, welche Klappengröße jeder Patient erhalten haben sollte und ob nach dem Eingriff Undichtigkeiten auftreten würden. Das System war in der Lage, das Ergebnis in Bezug auf Lecks bei 60-73% der Patienten (je nach Art der Klappe, die der Patient erhalten hatte) erfolgreich vorherzusagen, und stellte fest, dass 60% der Patienten die angemessene Klappengröße erhalten hatten.

“In der Lage zu sein, Patienten mit mittlerem und niedrigem Risiko zu identifizieren, deren Herzklappenanatomie eine höhere Wahrscheinlichkeit für Komplikationen bei der TAVI zur Folge hat, ist von entscheidender Bedeutung. Wir hatten noch nie einen nicht invasiven Weg, dies vorher genau zu bestimmen”, sagte Co-Autorin Dr. Beth Ripley, Assistenzprofessorin an der Abteilung für Radiologie an der University of Washington. „Diese Patienten könnten mit einer Operation besser bedient sein, da die Risiken eines unvollkommenen TAVI-Ergebnisses die Vorteile überwiegen könnten.“

Das Team hat seine Software zur Modellierung der Segel und das 3D-Druckprotokoll für Forscher oder Mediziner, die sie verwenden möchten, online frei verfügbar gemacht. Die Wissenschaftler hoffen, dass ihr Projekt als Sprungbrett für ein evolvierbares biomedizinisches Design dient, das mit dem Stand der Technik auf dem Markt Schritt hält. (Lindsay Brownell)

Die Software ist – allerdings nicht zum klinischen Gebrauch – verfügbar unter http://ahmedhosny.github.io/av-generator . Ein Video, das den Einsatz der Software demonstriert, ist unter https://youtu.be/6ZdiZdl7wZ zu finden.

Publikation: Hosny A et al. Pre-procedural fit-testing of TAVR valves using parametric modeling and 3D printing. Journal of Cardiovascular Computed Tomography, 02.10.2018

https://doi.org/10.1016/j.jcct.2018.09.007