폐하 폰탄 순환 지원을 위한 점성 임펠러 펌프의 수동적 성능 평가 및 검증

Jun 30, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12668(2023) 이 기사 인용

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폰탄 시술을 받는 단심실 결손 환자는 결국 폰탄 실패에 직면하게 됩니다. 현재 폰탄부전을 예방하고 치료하기 위한 폐하 동력원으로 로터리 펌프 기술을 이용한 장기정맥폐 보조장치가 개발되고 있습니다. 낮은 수압 저항은 펌프 고장(0RPM) 시에 중요한 안전 요구 사항입니다. 2mmHg 정도의 정맥 폐압 강하로 인해 환자의 혈역학이 손상될 수 있기 때문입니다. 따라서 이 연구의 목표는 Fontan 환자를 위해 개발 중인 VIP(점성 임펠러 펌프)의 수동 성능을 평가하고 체외 데이터를 기준으로 흐름 시뮬레이션을 검증하는 것입니다. 두 가지 다른 블레이드 높이(1.09mm 대 1.62mm)와 빈 하우징 모델이 3~11L/min 범위의 심박출량을 갖는 모의 순환 루프(MCL)를 사용하여 테스트되었습니다. 3차원 흐름 시뮬레이션을 수행하고 MCL 데이터와 비교했습니다. In-silico 및 MCL 결과는 두 블레이드 높이 모두에 대해 7L/min의 심박출량에서 < 2mmHg의 압력 강하를 보여주었습니다. 압력 손실에 대한 시뮬레이션과 MCL 결과 간에는 좋은 일치가 있었습니다(평균 차이 - 0.23mmHg 95% CI [0.24–0.71]). 블랭크 하우징 모델과 비교하여 펌프 표면의 낮은 벽 전단 응력 영역과 진동 전단 지수가 낮았으며 평균 세척 시간은 2초 이내였습니다. 이 연구는 Fontan 환자의 정상적인 심박출량 하에서 빈 하우징 모델과 비교하여 세척 시간을 늘리지 않고도 임상적으로 허용 가능한 최소 압력 손실을 가져오는 실패 조건에서 현재 VIP 설계의 낮은 저항 특성을 입증했습니다.

폰탄 시술은 단심실 심장 결함을 가지고 태어난 어린이를 위한 일반적인 완화 수술 순서의 세 번째이자 마지막 단계입니다. 폰탄 시술에서 하대정맥(IVC)은 심장외 확장 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 이식편이나 심방내 측면 터널 배플을 통해 폐동맥(PA)으로 전달됩니다. 전신 정맥 복귀는 폰탄 완료 후 TCPC(전정맥폐 연결)를 형성하는 PA로 완전히 전환됩니다. 폰탄 시술 후 조기 사망이 크게 감소했음에도 불구하고 장기적인 이환율과 사망률은 여전히 ​​우려 사항으로 남아 있습니다. 이는 주로 기능적 폐하 심실이 부족하여 폐로의 비박동성 및 비에너지 부스트 흐름을 초래하는 단심실 폰탄 순환에 내재된 비효율성 때문입니다. 최근 연구에 따르면 폰탄 실패와 후기 합병증으로 인한 사망은 40명 중 30명에 달하며, 후기 폰탄 합병증이 없는 경우는 5년과 20년에 각각 53%와 31%에 불과합니다1. 폰탄 복구 후 전체 30년 생존율은 1,052명의 환자로 구성된 단일 센터 코호트의 경우 43%에 불과합니다2.

폰탄 생리학은 정상적인 심실 생리학에 비해 전신 정맥압 상승, 상대 폐동맥 저혈압 및 심박출량 감소를 희생하여 거의 정상에 가까운 산소 포화도를 생성합니다. 이러한 요인들은 소위 "폰탄 역설(Fontan paradox)"의 기초를 형성합니다. 전신 정맥압, 간, 장 및 림프 장애, 정상 이하의 심박출량, 폐 모세혈관 쐐기압 상승 및 전신 혈관 저항의 만성적이고 점진적인 상승은 모두 폰탄 관련 질환의 증후군 별자리에 기여합니다3. 그러나 흥미롭게도 Fontan 생리 기능이 저하된 환자의 상당수에서는 심실 수축기 기능이 그대로 유지되었습니다4. 이는 폰탄 실패가 일차 펌프 실패에 이차적인 것이 아니라 오히려 후기 폰탄 실패의 진행에 기여하는 병리학적 심실 재형성 및 이완기 기능 장애로 이어지는 것으로 추정되는 만성 예압 부족에 이차적임을 시사합니다3,5. 즉, 폰탄 부전은 단심실 자체의 부전이 아니라 오히려 심실을 채우지 못하는 것입니다. 이를 고려하여 우리는 대정맥에서 PA까지 5~7mmHg의 폐하 압력 상승을 생성할 수 있는 기계적 정맥폐 보조 장치를 추가하여 "폰탄 역설"을 되돌릴 수 있다고 가정했습니다. 정상적인 2심실 순환을 모방하기 위해 폐유량 및 전신 심실 예압을 감소시키지 않고 감소됩니다. 예를 들어, 폰탄 환자의 경우 펌프로 인한 압력 수두의 7mmHg 증가에 대한 바람직한 조건은 기갑 측에서 2~3mmHg 감소, PA 측에서 4~5mmHg 증가로 이어질 수 있습니다. 대정맥 압력은 VIP 지원 이전의 PA 압력과 동일합니다.6,7,8.