Исследование биомеханики створчатого аппарата протеза клапана сердца методом численного моделирования

К.Ю. Клышников, П.С. Онищенко, Е.А. Овчаренко

Ключевые слова: протез клапана аорты; метод конечных элементов; гидродинамическое исследование протеза клапана; створчатый аппарат клапана; моделирование биомеханики створчатого аппарата биопротеза; моделирование работы биопротезов.

2022, том 14, номер 2, стр. 6.

DOI: https://doi.org/10.17691/stm2022.14.2.01

Полный текст статьи

html pdf

1261

1037

Аннотация
Список литературы
Как цитировать в References

Цель исследования — с помощью метода численного моделирования, воспроизводящего качественные и количественные результаты стендовых испытаний, исследовать комплексную биомеханику протеза клапана аорты и проанализировать влияние подвижности каркаса на напряженно-деформированное состояние и геометрию створчатого аппарата клапана.

Материалы и методы. В качестве объекта исследования использован коммерческий биопротез клапана «ЮниЛайн» («НеоКор», Россия), трехмерная сетка которого была получена на основе компьютерной микротомографии, с последующим анализом его напряженно-деформированного состояния в цикле «систола–диастола» методом конечных элементов в среде Abaqus/CAE. Моделирование было валидировано на основе сравнения результатов численного моделирования со стендовыми на гидродинамическом стенде ViVitro Labs (ViVitro Labs Inc., Канада).

Результаты. Метод моделирования имитации подвижности комиссуральных стоек за счет включения в расчет эластичных коннекторов регулируемой жесткости позволил воспроизвести качественные эффекты работы створок клапана, наблюдаемые в стендовом эксперименте. Площадь отверстия биопротеза в систолическую фазу соответствовала значениям, полученным на стенде, на протяжении всего цикла «систола–диастола». Анализ напряженно-деформированного состояния продемонстрировал принципиальное различие в распределении полей напряжения по Мизесу в зависимости от постановки численного эксперимента: концентрацию высоких амплитуд в области комиссуральных стоек и в области центральной части свободного края. Тем не менее количественно максимальные значения напряжения достигали 0,850–0,907 МПа (в среднем — 0,141–0,156 МПа), что ниже предела прочности биологического материала.

Заключение. Выполненное исследование с учетом проведенной валидации позволяет заключить, что адекватные результаты моделирования биомеханики створчатого аппарата биопротеза клапана сердца на основе метода конечных элементов могут быть достигнуты за счет использования модели высокого разрешения с наложением эластичных коннекторов в зоне комиссуральных стоек. Учет подвижности стоек каркаса протеза клапана сердца является определяющим в отношении конечной геометрии створчатого аппарата и может выступать негативным фактором в случае высокоэластичного материала створчатого аппарата. Представленный метод моделирования может быть использован для оптимизации геометрии створчатого аппарата протезов клапанов сердца с позиции оценки распределения напряженно-деформированного состояния.

Abbasi M., Azadani A.N. A geometry optimization framework for transcatheter heart valve leaflet design. J Mech Behav Biomed Mater 2020; 102: 103491, https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2019.103491.
Dabiri Y., Ronsky J., Ali I., Basha A., Bhanji A., Narine K. Effects of leaflet design on transvalvular gradients of bioprosthetic heart valves. Cardiovasc Eng Technol 2016; 7(4): 363–373, https://doi.org/10.1007/s13239-016-0279-5.
Li K., Sun W. Simulated transcatheter aortic valve deformation: a parametric study on the impact of leaflet geometry on valve peak stress. Int J Numer Method Biomed Eng 2017; 33(3): e02814, https://doi.org/10.1002/cnm.2814.
De Gaetano F., Bagnoli P., Zaffora A., Pandolfi A., Serrani M., Brubert J., Stasiak J., Moggridge G.D., Costantino M.L. A newly developed tri-leaflet polymeric heart valve prosthesis. J Mech Med Biol 2015; 15(02): 1540009, https://doi.org/10.1142/s0219519415400096.
Hsu M.C., Kamensky D., Xu F., Kiendl J., Wang C., Wu M.C.H., Mineroff J., Reali A., Bazilevs Y., Sacks M.S. Dynamic and fluid–structure interaction simulations of bioprosthetic heart valves using parametric design with T-splines and Fung-type material models. Comput Mech 2015; 55(6): 1211–1225, https://doi.org/10.1007/s00466-015-1166-x.
Martin C., Sun W. Comparison of transcatheter aortic valve and surgical bioprosthetic valve durability: a fatigue simulation study. J Biomech 2015; 48(12): 3026–3034, https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2015.07.031.
Balu A., Nallagonda S., Xu F., Krishnamurthy A., Hsu M.C., Sarkar S. A deep learning framework for design and analysis of surgical bioprosthetic heart valves. Sci Rep 2019; 9(1): 18560, https://doi.org/10.1038/s41598-019-54707-9.
Глушкова Т.В., Овчаренко Е.А., Батранин А.В., Клышников К.Ю., Кудрявцева Ю.А., Барбараш Л.С. Клинический случай дисфункции биопротеза клапана сердца в трикуспидальной позиции у пациента дошкольного возраста: оценка вклада паннуса и кальцификации. Вестник трансплантологии и искусственных органов 2018; 20(3): 45–53, https://doi.org/10.15825/1995-1191-2018-3-45-53.
Глушкова Т.В., Овчаренко Е.А., Рогулина Н.В., Клышников К.Ю., Кудрявцева Ю.А., Барбараш Л.С. Дисфункции эпоксиобработанных биопротезов клапанов сердца. Кардиология 2019; 59(10): 49–59, https://doi.org/10.18087/cardio.2019.10.n327.
Мухамадияров Р.А., Рутковская Н.В., Мильто И.В., Васюков Г.Ю., Барбараш Л.С. Патогенетические параллели кальцификации нативных клапанов аорты и ксеногенных биопротезов клапанов сердца. Гены и Клетки 2016; 11(3): 72–79.
Караськов А.М., Железнев С.И., Назаров В.М., Лавинюков С.О., Ларионов П.М., Богачев-Прокофьев А.В., Глотова Н.И., Матюгин М.П. Клинико-морфологические изменения при дисфункциях биологических протезов сердца. Патология кровообращения и кардиохирургия 2006; 2: 21–26.
Foroutan F., Guyatt G.H., O’Brien K., Bain E., Stein M., Bhagra S., Sit D., Kamran R., Chang Y., Devji T., Mir H., Manja V., Schofield T., Siemieniuk R.A., Agoritsas T., Bagur R., Otto C.M., Vandvik P.O. Prognosis after surgical replacement with a bioprosthetic aortic valve in patients with severe symptomatic aortic stenosis: systematic review of observational studies. BMJ 2016; 354: i5065, https://doi.org/10.1136/bmj.i5065.
Одаренко Ю.Н., Рутковская Н.В., Рогулина Н.В., Стасев А.Н., Кокорин С.Г., Каган Е.С., Барбараш Л.С. Анализ 23-летнего опыта использования ксеноаортальных эпоксиобработанных биопротезов в хирургии митральных пороков сердца. Исследование факторов реципиента с позиций влияния на развитие кальциевой дегенерации. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний 2015; 4: 17–25.
Рогулина Н.В., Одаренко Ю.Н., Журавлева И.Ю., Барбараш Л.С. Отдаленные результаты применения механических и биологических протезов у пациентов различных возрастов. Journal of Siberian Medical Sciences 2014; 3: 47.
Журавлева И.Ю., Богачев-Прокофьев А.В., Тимченко Т.П., Требушат Д.В., Майоров А.П., Гончаренко А.М., Астапов Д.А., Нуштаев Д.В., Демидов Д.П. Модель биопротеза аортального клапана для бесшовной имплантации. Медицинская техника 2017; 3: 15–18.
Abbasi M., Qiu D., Behnam Y., Dvir D., Clary C., Azadani A.N. High resolution three-dimensional strain mapping of bioprosthetic heart valves using digital image correlation. J Biomech 2018; 76: 27–34, https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2018.05.020.
Abbasi M., Barakat M.S., Vahidkhah K., Azadani A.N. Characterization of three-dimensional anisotropic heart valve tissue mechanical properties using inverse finite element analysis. J Mech Behav Biomed Mater 2016; 62: 33–44, https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2016.04.031.
Abbasi M., Barakat M., Dvir D., Azadani A. Detailed stress analysis of Edwards-SAPIEN and Medtronic CoreValve devices. Is leaflet stress comparable to surgical Carpentier-Edwards PERIMOUNT Magna bioprosthesis? Struct Heart 2019; 3(Suppl 1): 192, https://doi.org/10.1080/24748706.2019.1591103.
Liang L., Sun B. A proof of concept study of using machine-learning in artificial aortic valve design: from leaflet design to stress analysis. Bioengineering (Basel) 2019; 6(4): 104, https://doi.org/10.3390/bioengineering6040104.
Vesely I. The evolution of bioprosthetic heart valve design and its impact on durability. Cardiovasc Pathol 2003; 12(5): 277–286, https://doi.org/10.1016/s1054-8807(03)00075-9.
Mao W., Li K., Sun W. Fluid–structure interaction study of transcatheter aortic valve dynamics using smoothed particle hydrodynamics. Cardiovasc Eng Technol 2016; 7(4): 374–388, https://doi.org/10.1007/s13239-016-0285-7.
Zakerzadeh R., Hsu M.C., Sacks M.S. Computational methods for the aortic heart valve and its replacements. Expert Rev Med Devices 2017; 14(11): 849–866, https://doi.org/10.1080/17434440.2017.1389274.
Zhuravleva I.Y., Nushtaev D.V., Timchenko T.V., Trebushat D.V., Mayorov А.P., Zheleznev S.I., Demidov D.P., Bogachev-Prokophiev А.V. The concept of a device for the redo transcatheter mitral valve implantation. Sovremennye tehnologii v medicine 2017; 9(3): 7–14, https://doi.org/10.17691/stm2017.9.3.01.
Zhang W., Rossini G., Kamensky D., Bui-Thanh T., Sacks M.S. Isogeometric finite element-based simulation of the aortic heart valve: integration of neural network structural material model and structural tensor fiber architecture representations. Int J Numer Method Biomed Eng 2021; 37(4): e3438, https://doi.org/10.1002/cnm.3438.
Smuts A.N., Blaine D.C., Scheffer C., Weich H., Doubell A.F., Dellimore K.H. Application of finite element analysis to the design of tissue leaflets for a percutaneous aortic valve. J Mech Behav Biomed Mater 2011; 4(1): 85–98, https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2010.09.009.
Soares J.S., Feaver K.R., Zhang W., Kamensky D., Aggarwal A., Sacks M.S. Biomechanical behavior of bioprosthetic heart valve heterograft tissues: characterization, simulation, and performance. Cardiovasc Eng Technol 2016; 7(4): 309–351, https://doi.org/10.1007/s13239-016-0276-8.
Serrani M., Brubert J., Stasiak J., De Gaetano F., Zaffora A., Costantino M.L., Moggridge G.D. A computational tool for the microstructure optimization of a polymeric heart valve prosthesis. J Biomech Eng 2016; 138(6): 061001, https://doi.org/10.1115/1.4033178.
Abbasi M., Barakat M.S., Dvir D., Azadani A.N. A non-invasive material characterization framework for bioprosthetic heart valves. Ann Biomed Eng 2019; 47(1): 97–112, https://doi.org/10.1007/s10439-018-02129-5.
Lee J.H., Rygg A.D., Kolahdouz E.M., Rossi S., Retta S.M., Duraiswamy N., Scotten L.N., Craven B.A., Griffith B.E. Fluid–structure interaction models of bioprosthetic heart valve dynamics in an experimental pulse duplicator. Ann Biomed Eng 2020; 48(5): 1475–1490, https://doi.org/10.1007/s10439-020-02466-4.
Vriesendorp M.D., de Lind van Wijngaarden R.A.F., Rao V., Moront M.G., Patel H.J., Sarnowski E., Vatanpour S., Klautz R.J.M. An in vitro comparison of internally versus externally mounted leaflets in surgical aortic bioprostheses. Interact Cardiovasc Thorac Surg 2020; 30(3): 417–423, https://doi.org/10.1093/icvts/ivz277.
Martin C., Sun W. Simulation of long-term fatigue damage in bioprosthetic heart valves: effects of leaflet and stent elastic properties. Biomech Model Mechanobiol 2014; 13(4): 759–770, https://doi.org/10.1007/s10237-013-0532-x.
Fedorov S.A., Chiginev V.A., Zhurko S.A., Gamzaev A.B., Medvedev A.P. Clinical and hemodynamic results of applying different biological prosthesis models for correction of calcific aortic valve disease. Sovremennye tehnologii v medicine 2016; 8(4): 292–296.
Барбараш Л.С., Рогулина Н.В., Рутковская Н.В., Одаренко Ю.Н., Стасев А.Н., Левадин Ю.В., Кокорин С.Г. Пятилетний опыт применения биологического протеза ЮниЛайн при митральном пороке. Кардиология и сердечно-сосудистая хирургия 2015; 8(5): 49–54, https://doi.org/10.17116/kardio20158549-54.
Караськов А.М., Железнев С.И., Рогулина Н.В., Сапегин А.В., Одаренко Ю.Н., Левадин Ю.В., Рутковская Н.В., Барбараш Л.С. Отечественный биологический протез нового поколения «Юнилайн» в хирургии митрального порока: первый опыт. Грудная и сердечно-сосудистая хирургия 2017; 59(2): 98–104, https://doi.org/10.24022/0236-2791-2017-59-2-98-104.

Klyshnikov K.Yu., Onischenko P.S., Ovcharenko Е.А. Study of Biomechanics of the Heart Valve Leaflet Apparatus Using Numerical Simulation Method. Sovremennye tehnologii v medicine 2022; 14(2): 6, https://doi.org/10.17691/stm2022.14.2.01