Hemodynamic assessment of self-expandable pulmonary valve in treating surgically repaired tetralogy of Fallot using 3D printed models

Abstract

Tetralogy of Fallot (TOF) is the most common cyanotic congenital heart disease, accounting for 7% of all live births with congenital heart defects. TOF is characterized by four primary anomalies: a ventricular septal defect (VSD), an overriding aorta, right ventricular hypertrophy, and right ventricular outflow tract obstruction (RVOTO). The standard surgical intervention, typically performed within the first year of life, involves VSD closure and relief of RVOTO. Despite the initial success of these surgeries, long-term complications such as right heart failure, arrhythmias, and sudden cardiac death frequently occur. These complications are often attributed to pulmonary regurgitation (PR), which results from the transannular patch used during repair, leading to right ventricular (RV) enlargement and dysfunction over time. Pulmonary valve replacement (PVR) has become essential for managing PR and restoring RV function. Traditional options, including homografts, xenografts, and various bioprosthetic valves, are associated with limited durability and potential for reoperation due to calcification, degeneration, and somatic outgrowth, particularly in younger patients. These limitations have prompted the development of less invasive alternatives, such as percutaneous pulmonary valve implantation (PPVI), which offers the advantages of reduced procedural risk and shorter recovery times. This dissertation focuses on the hemodynamic assessment of self-expandable pulmonary valves, specifically the Pulsta® valve , in treating surgically repaired TOF. The Pulsta® valve, a significant advancement in the field, consists of a nitinol wire stent frame and decellularized porcine pericardium leaflets designed for deployment in the native RVOT without a rigid supporting frame, allowing for a more flexible adaptation to the patient's anatomy. The A key innovation in this study is the utilization of 3D-printed models to simulate patient-specific anatomies. These models, a testament to the rapid advancements in technology, enable precise pre-procedural planning and optimization of valve selection and implantation techniques. By creating accurate replicas of the patient's heart, 3D printing technology allows for detailed assessment of the valves' anatomical fit and functional performance under various physiological conditions. Hemodynamic assessments include evaluating pressure gradients, valve function, and the absence of obstruction or regurgitation, which are crucial for determining the success and durability of the implanted valves. This approach, with its precision and risk reduction, provides a sense of security and confidence in the procedure, enhancing the overall quality of care. The research aims to provide comprehensive insights into the long-term outcomes of self-expandable valves in the native RVOT. By leveraging advanced imaging and 3D printing technologies, this study significantly enhances our understanding of TOF management, potentially reducing the need for repeated interventions and improving patient outcomes. The findings contribute significantly to biomedical engineering and bioinformatics, offering promising directions for future research and clinical practice in congenital heart disease treatment and, ultimately, improving the quality of life for TOF patients.

Fallot Tetralojisi (TOF) en yaygın siyanotik konjenital kalp hastalığıdır ve konjenital kalp defektli tüm canlı doğumların %7'sini oluşturur. TOF dört temel anomaliyle karakterize edilir: ventriküler septal defekt (VSD), aortanın septum üzerinde atabiner pozisyonu, sağ ventrikül hipertrofisi ve sağ ventrikül çıkış yolu obstrüksiyonu (RVOTO). Tipik olarak yaşamın ilk yılı içinde gerçekleştirilen standart cerrahi müdahale VSD'nin kapatılmasını ve RVOTO'nun giderilmesini içerir. Bu ameliyatların başlangıçtaki başarısına rağmen, sağ kalp yetmezliği, aritmiler ve ani kardiyak ölüm gibi uzun vadeli komplikasyonlar sıklıkla ortaya çıkmaktadır. Bu komplikasyonlar genellikle onarım sırasında kullanılan transannüler yamadan kaynaklanan ve zaman içinde sağ ventrikül (RV) genişlemesine ve işlev bozukluğuna yol açan pulmoner yetersizliğe (PR) bağlanmaktadır. Pulmoner kapak replasmanı (PVR), PR'yi yönetmek ve RV fonksiyonunu geri kazanmak için gerekli hale gelmiştir. Homogreftler, ksenogreftler ve çeşitli biyoprotez kapaklar dahil olmak üzere geleneksel seçenekler, özellikle genç hastalarda kalsifikasyon, dejenerasyon ve somatik büyüme nedeniyle sınırlı dayanıklılık ve yeniden ameliyat potansiyeli ile ilişkilidir. Bu sınırlamalar, daha az prosedürel risk ve daha kısa iyileşme süreleri gibi avantajlar sunan perkütan pulmoner kapak implantasyonu (PPVI) gibi daha az invaziv alternatiflerin geliştirilmesine yol açmıştır. Bu tez, cerrahi olarak onarılmış TOF tedavisinde kendiliğinden genişleyebilen pulmoner kapakların, özellikle de Pulsta® kapağın hemodinamik değerlendirmesine odaklanmaktadır. Bu alanda önemli bir ilerleme olan Pulsta® kapak, nitinol tel stent çerçevesi ve doğal RVOT'a rijit bir destek çerçevesi olmadan yerleştirilmek üzere tasarlanmış ve hastanın anatomisine daha esnek bir adaptasyon sağlayan deselülerize domuz perikard yaprakçıklarından oluşmaktadır. Bu Bu çalışmadaki önemli bir yenilik, hastaya özgü anatomileri simüle etmek için 3D baskılı modellerin kullanılmasıdır. Teknolojideki hızlı gelişmelerin bir kanıtı olan bu modeller, kapak seçimi ve implantasyon tekniklerinin hassas bir şekilde işlem öncesi planlanmasını ve optimizasyonunu mümkün kılmaktadır. 3D baskı teknolojisi, hastanın kalbinin doğru kopyalarını oluşturarak, kapakların anatomik uyumunun ve çeşitli fizyolojik koşullar altında işlevsel performansının ayrıntılı olarak değerlendirilmesine olanak tanır. Hemodinamik değerlendirmeler, implante edilen kapakların başarısını ve dayanıklılığını belirlemek için çok önemli olan basınç gradyanlarını, kapak fonksiyonunu ve tıkanıklık veya yetersizlik olup olmadığını değerlendirmeyi içerir. Bu yaklaşım, hassasiyeti ve risk azaltma özelliğiyle prosedüre yönelik bir emniyet ve güven duygusu sağlayarak genel bakım kalitesini artırmaktadır. Araştırma, doğal RVOT'ta kendiliğinden genişleyebilen kapakçıkların uzun vadeli sonuçları hakkında kapsamlı bilgiler sağlamayı amaçlamaktadır. Bu çalışma, gelişmiş görüntüleme ve 3D baskı teknolojilerinden yararlanarak TOF yönetimi anlayışımızı önemli ölçüde geliştirmekte, tekrarlanan müdahalelere olan ihtiyacı potansiyel olarak azaltmakta ve hasta sonuçlarını iyileştirmektedir. Bulgular, biyomedikal mühendisliği ve biyoinformatiğe önemli ölçüde katkıda bulunmakta, doğuştan kalp hastalığı tedavisinde gelecekteki araştırmalar ve klinik uygulamalar için umut verici yönler sunmakta ve nihayetinde TOF hastalarının yaşam kalitesini iyileştirmektedir.