Can we increase pulsatility of continuous-flow left ventricular assist devices without affecting blood damage? A parametric study on the algorithm of rotor speed modulation of the HeartMate3

Left Ventricular Assist Devices (LVADs) represent a reliable strategy for those heart failure patients who are refractory to medical therapy and/or not eligible for heart transplantation. The HeartMate 3 (HM3, Abbott, USA) is a third generation LVAD including a fully magnetically levitated rotor and a dynamic rotor speed sequence, the Artificial Pulse (AP). The AP sequence features are a speed decrease of 2000 rpm for 150 ms followed by a speed increase of 4000 rpm for 200 ms, repeated every 2 s and asynchronized with the native cardiac activity. Although the HM3 has shown positive outcomes, adverse events, especially gastrointestinal bleeding, are still a major issue and have been associated, at least in part, to the lack of pulsatility. While current generation LVAD are non-pulsatile per design, the introduction of speed modulation sequences may provide avenues to restore pulse pressure (PP). In its current form however, the AP only results in limited PP in vivo. This thesis investigates whether it is possible to restore physiological PP levels in HM3 patients by modifying the algorithm of the HM3 AP. A parametric study on the AP parameters, namely the amplitude and duration of the speed modulation, was performed using a lumped parameter model of the cardiovascular system and HM3. The parametric study was conducted iteratively, first varying the AP parameters independently to narrow down the parameter space and then in combination. The primary performance criterion was to achieve a physiological-like PP, i.e., greater than 30 mmHg. Additionally, physiological constraints, such as maximum end-diastolic volume below 132 mL, were applied to identify the best performing Candidate Sequence. The features of the Candidate Sequence were a speed decrease of 1300 rpm for 267 ms followed by a speed increase of 3600 rpm for 400 ms, and synchronization of the high-speed phase with the systolic phase of the native LV. The impact of the Candidate Sequence on hemocompatibility was assessed using computational fluid dynamics. 95 % of washout time was 0,42 s, maximum and minimum volumes of flow stagnation (7,9 mL and 0,09 mL) and volumes with total stresses over 50 Pa (2,4 mL and 0,22 mL) were comparable with the ones previously found for the AP and their mean values and trend were similar but for longer times. This work suggests that speed modulation sequences can be used to increase arterial PP. Key parameters include heart-pump synchronization and effective “stroke volume”, which can be achieved with either higher speeds or longer durations. Impact of either option on blood damage should be weighted carefully.

I dispositivi di assistenza ventricolare (LVAD) rappresentano una strategia affidabile per quei pazienti con scompenso cardiaco refrattari a terapie mediche e/o non eleggibili al trapianto di cuore. L’HeartMate 3 (HM3, Abbott, USA) è un LVAD di terza generazione che include un rotore a levitazione magnetica e una sequenza di modulazione della velocità del rotore, l'Artificial Pulse (AP). Le caratteristiche dell’AP sono una diminuzione della velocità di 2000 rpm per 150 ms seguita da un aumento della velocità di 4000 rpm per 200 ms, ripetuta ogni 2 s e asincrona con l'attività cardiaca. Sebbene l'HM3 abbia mostrato esiti positivi, gli eventi avversi, in particolare il sanguinamento gastrointestinale, sono ancora un grosso problema e sono stati associati, almeno in parte, alla mancanza di pulsatilità. Gli LVAD della generazione attuale non sono progettati come pulsatili ma l'introduzione di sequenze di modulazione della velocità può fornire una valida strategia per ripristinare la pulsatilità della pressione arteriosa. Tuttavia, l'AP è in grado di produrre una limitata pulsatilità in vivo. In questa tesi è stata indagata la possibilità di ripristinare dei livelli di pulsatilità fisioligici nei pazienti impiantati con HM3, migliorando l’algoritmo dell’AP. Uno studio parametrico sui parametri dell’AP, vale a dire l’ampiezza e la durata della modulazione della velocità, è stato eseguito utilizzando un modello a parametri concentrati del sistema cardiovascolare e HM3. Lo studio parametrico è stato condotto in modo iterativo, prima variando i parametri in modo indipendente per restringere lo spazio di variazione dei parametri e poi in combinazione. Il criterio principale era il raggiungimento di una pressione di polso quasi-fisiologica, cioè maggiore di 30 mmHg. Ulteriori vincoli fisiologici, come il volume telediastolico massimo inferiore a 132 ml, sono stati applicati per identificare la Sequenza Candidata con le migliori prestazioni. Le caratteristiche principali della Sequenza Candidata sono una diminuzione della velocità di 1300 rpm per 267 ms seguita da un aumento della velocità di 3600 rpm per 400 ms e la sincronizzazione della fase ad alta velocità con la fase di sistole ventricolare. L'impatto della Sequenza Candidata sull'emocompatibilità è stato valutato utilizzando la fluidodinamica computazionale. Il 95 % del tempo di washout è di 0,42 s, i volumi massimi e minimi di ristagno del sangue (7,9 mL e 0,09 mL) e i volumi con sollecitazioni totali superiori a 50 Pa (2,4 mL e 0,22 mL) sono stati comparabili con quelli precedentemente trovati per l'AP e i loro valori medi e l'andamento sono simili ma per tempi più lunghi. Questo lavoro suggerisce che le sequenze di modulazione della velocità possono essere utilizzate per aumentare la pulsatilità arteriosa. Indicazioni chiave includono la sincronizzazione dell’HM3 con il cuore e l'effettivo “volume sistolico”, che può essere raggiunto con velocità più elevate o durate più lunghe. Entrambi questi aspetti devono essere attentamente valutati in termini di danno ematico.