The Concept of “Direct Mechanical Ventricular Assistance” in the Treatment of Left-Ventricular Failure - Part 1: Idea, Development and Construction of an Implantable Multi-Chamber Pump System Partially Surrounding the Heart

Summary

In this paper we present a therapeutic concept for the treatment of heart failure due to muscular inability to pump properly. The basic principle of this concept triggered numerous studies, then with the aim of cardiopulmonary resuscitation, back in the 1970s. In general, it dealt with mechanical systems which led to an increase in stroke volume, systolic blood pressure, and cardiac output through the application of pressure directly to the left ventricle. After a critical appraisal of the relevant literature from technical, physical, and medical viewpoints, and our own preliminary studies on animal hearts within the framework of mock circulation experiments, we have conceived a new functional principle for direct mechanical ventricular assistance based on squeezing the left ventricle only. We have begun development of the system which has the advantages of ease of use, high biocompatibility due to lack of contact between blood and system components, the prevention of infection through complete intrathoracic implantation (long-range goal), and the fact that the patient's own heart can be supported by the system without being removed from the circulatory system (support of the residual myocardial function). Technical as well as medical prerequisites are indicated, and the materials selection and construction principles of the control, pressure generation, pressure transduction, and ventricular compression unit are described. It has proved possible to construct a prototype system to be used in animal experiments, which, through pneumatic inflation of a chamber system partially surrounding the left ventricle, should be able to augment or take over the pumping function of the left ventricle.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Therapiekonzept zur Behandlung des muskulär bedingten Pumpversagens des Herzens vorgestellt, dessen Grundprinzip bereits in den 70er Jahren - damals im Rahmen der kardiopulmonalen Reanimation - zu zahlreichen Untersuchungen Anlaß gab. Es handelt sich dabei allgemein um mechanische Systeme, die durch direkte Druckausübung auf den linken Ventrikel zu einer Erhöhung des Schlagvolumens, des systolischen Blutdrucks und des Herzminutenvolumens führen. Nach Aufarbeitung der diesbezüglichen Literatur unter technischen, physikalischen und medizinischen Gesichtspunkten und eigenen Voruntersuchungen an Tierherzen im Rahmen von “Mock”-Zirkulationsversuchen erarbeiteten wir ein neues Funktionsprinzip für eine “direct mechanical ventricular assistance”. Die Vorteile des von uns entwickelten Systems liegen in seiner einfachen Handhabung, der hohen Biokompatibilität durch den fehlenden Kontakt von Blut mit Systemteilen, der Vermeidung von Infektionen durch komplette intrathorakale Implantation (Fernziel) und in der Tatsache, daß das körpereigene Herz durch das System unterstützt werden kann, ohne aus dem Kreislauf entfernt werden zu müssen (Unterstützung der myokardialen Restfunktion). Sowohl technische, als auch medizinische Voraussetzungen werden aufgezeigt, und die Auswahl, Konstruktion und Herstellung der Bausteine Steuerung, Druckerzeugung, Druckübertragung und Kompression beschrieben. Am Ende der Entwicklung steht ein im Tierexperiment einsetzbarer Prototyp, der durch pneumatisches Aufblasen eines um den linken Ventrikel gelegenen Kammersystems in der Lage sein soll, teilweise oder komplett die Pumpfunktion des linken Ventrikels zu übernehmen.

Key words

Left heart failure - Direct mechanical ventricular assistance - Implantable ventricular assist device - Cardiopulmonary resuscitation - Mock circulation - Circulatory support systems