Прогнозирование результатов имплантации транскатетерного протеза клапана аорты на основе метода конечных элементов и данных микрокомпьютерной томографии

Цель исследования — оценка возможности прогнозирования исхода имплантации транскатетерного протеза клапана аорты в реальной клинической практике на основе пациент-специфического метода моделирования.

Материалы и методы. Моделирование имплантации транскатетерного биопротеза было проведено на основе клинических данных одного пациента в возрасте 72 лет. Пациенту до и после оперативного вмешательства была выполнена мультиспиральная КТ. На основе полученных срезов с использованием средств автоматизированного проектирования осуществляли реконструкцию геометрии аорты и клапанного аппарата. С помощью микрокомпьютерной томографии на основе серии проекционных изображений с использованием математических алгоритмов была реконструирована 3D-модель каркаса, на основании которой была построена трехмерная сетка из 17 000 кубических (C3D8)-элементов. Моделирование взаимодействия компонентов исследуемой системы проводили с помощью метода конечных элементов в виде ряда последовательных этапов: предварительная баллонная дилатация — сжатие каркаса в катетер — извлечение каркаса из катетера. Для оценки точности результатов моделирования относительно клинических данных мультиспиральной КТ пациента с имплантированным биопротезом был разработан собственный алгоритм в среде MATLAB R2014a (The MathWorks, США). В качестве входных данных были использованы массивы точек, соответствующих центру ячеек опорного каркаса (балки), полученных в 11 ортогональных срезах.

Результаты. Проанализированы особенности использования пациент-специфического подхода к моделированию имплантации транскатетерного биопротеза CoreValve с помощью разработанного биоинформационного алгоритма. Удалось достичь высокой сходимости результатов моделирования и клинических данных мультиспиральной КТ для приточной зоны каркаса (расхождение результатов моделирования по первым трем слоям не превышало 4%). Сравнение результатов с точки зрения площади проходного сечения также продемонстрировало высокую сходимость: более 90% совпадения для приточной и средней зон опорного каркаса.

Заключение. Наибольший уровень детализации, включающий моделирование кальциевых конгломератов, а также комплексное нелинейное описание элементов исследуемой системы с высокой точностью воспроизводят процесс имплантации транскатетерного протеза клапана аорты.

1. Mortier P., Holzapfel G.A., De Beule M., Van Loo D., Taeymans Y., Segers P., Verdonck P., Verhegghe B. A novel simulation strategy for stent insertion and deployment in curved coronary bifurcations: comparison of three drug-eluting stents. Ann Biomed Eng 2010; 38(1): 88–99, http://dx.doi.org/10.1007/s10439-009-9836-5.
2. Zajarias A., Cribier A.G. Outcomes and safety of percutaneous aortic valve replacement. J Am Coll Cardiol 2009; 53(20): 1829–1836, http://dx.doi.org/10.1016/j.jacc.2008.11.059.
3. Russ C., Hopf R., Hirsch S., Sündermann S., Falk V., Székely G., Gessat M. Simulation of transcatheter aortic valve implantation under consideration of leaflet calcification. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 2013; 2013: 711–714, http://dx.doi.org/10.1109/EMBC.2013.6609599.
4. Généreux P., Head S.J., Hahn R., Daneault B., Kodali S., Williams M.R., van Mieghem N.M., Alu M.C., Serruys P.W., Kappetein A.P., Leon M.B. Paravalvular leak after transcatheter aortic valve replacement: the new Achilles’ heel? A comprehensive review of the literature. J Am Coll Cardiol 2013; 61(11): 1125–1136, http://dx.doi.org/10.1016/j.jacc.2012.08.1039.
5. Cribier A., Eltchaninoff H., Bash A., Borenstein N., Tron C., Bauer F., Derumeaux G., Anselme F., Laborde F., Leon M.B. Percutaneous transcatheter implantation of an aortic valve prosthesis for calcific aortic stenosis: first human case description. Circulation 2002; 106(24): 3006–3008, http://dx.doi.org/10.1161/01.cir.0000047200.36165.b8.
6. Buellesfeld L., Wenaweser P., Gerckens U., Mueller R., Sauren B., Latsios G., Zickmann B., Hellige G., Windecker S., Grube E. Transcatheter aortic valve implantation: predictors of procedural success — the Siegburg–Bern experience. Eur Heart J 2010; 31(8): 984–991, http://dx.doi.org/10.1093/eurheartj/ehp570.
7. Овчаренко Е.А., Клышников К.Ю., Глушкова Т.В., Бураго А.Ю., Журавлева И.Ю. Нелинейная изотропная модель материала корня аорты человека. Технологии живых систем 2014; 6: 43–47.
8. Овчаренко Е.А., Клышников К.Ю., Журавлева И.Ю. Зависимость гидродинамических показателей биопротеза «3f enable» от степени деформации каркаса. Клиническая физиология кровообращения 2014; 2: 41–47.
9. Auricchio F., Conti M., Morganti S., Reali A. Simulation of transcatheter aortic valve implantation: a patient-specific finite element approach. Comput Methods Biomech Biomed Engin 2014; 17(12): 1347–1357, http://dx.doi.org/10.1080/10255842.2012.746676.
10. Schultz C.J., Weustink A., Piazza N., Otten A., Mollet N., Krestin G., van Geuns R.J., de Feyter P., Serruys P.W., de Jaegere P. Geometry and degree of apposition of the CoreValve ReValving system with multislice computed tomography after implantation in patients with aortic stenosis. J Am Coll Cardiol 2009; 54(10): 911–918, http://dx.doi.org/10.1016/j.jacc.2009.04.075.
11. Capelli C., Bosi G.M., Cerri E., Nordmeyer J., Odenwald T., Bonhoeffer P., Migliavacca F., Taylor A.M., Schievano S. Patient-specific simulations of transcatheter aortic valve stent implantation. Med Biol Eng Comput 2012; 50(2): 183–192, http://dx.doi.org/10.1007/s11517-012-0864-1.
12. Wang Q., Sirois E., Sun W. Patient-specific modeling of biomechanical interaction in transcatheter aortic valve deployment. J Biomech 2012; 45(11): 1965–1971, http://dx.doi.org/10.1016/j.jbiomech.2012.05.008.
13. Halevi R., Hamdan A., Marom G., Mega M., Raanani E., Haj-Ali R. Progressive aortic valve calcification: three-dimensional visualization and biomechanical analysis. J Biomech 2015; 48(3): 489–497, http://dx.doi.org/10.1016/j.jbiomech.2014.12.004.
14. Tzamtzis S., Viquerat J., Yap J., Mullen M.J., Burriesci G. Numerical analysis of the radial force produced by the Medtronic-CoreValve and Edwards-SAPIEN after transcatheter aortic valve implantation (TAVI). Med Eng Phys 2013; 35(1): 125–130, http://dx.doi.org/10.1016/j.medengphy.2012.04.009.
15. Li K., Sun W. Simulated thin pericardial bioprosthetic valve leaflet deformation under static pressure-only loading conditions: implications for percutaneous valves. Ann Biomed Eng 2010; 38(8): 2690–2701, http://dx.doi.org/10.1007/s10439-010-0009-3.
16. Détaint D., Lepage L., Himbert D., Brochet E., Messika-Zeitoun D., Iung B., Vahanian A. Determinants of significant paravalvular regurgitation after transcatheter aortic valve: implantation impact of device and annulus discongruence. JACC Cardiovasc Interv 2009; 2(9): 821–827, http://dx.doi.org/10.1016/j.jcin.2009.07.003.
17. Morganti S., Conti M., Aiello M., Valentini A., Mazzola А., Reali A., Auricchio F. Simulation of transcatheter aortic valve implantation through patient-specific finite element analysis: two clinical cases. J Biomech 2014; 47(11): 2547–2555, http://dx.doi.org/10.1016/j.jbiomech.2014.06.007.
18. Hamdan A., Guetta V., Konen E., Goitein O., Segev A., Raanani E., Spiegelstein D., Hay I., Di Segni E., Eldar M., Schwammenthal E. Deformation dynamics and mechanical properties of the aortic annulus by 4-dimensional computed tomography: insights into the functional anatomy of the aortic valve complex and implications for transcatheter aortic valve therapy. J Am Coll Cardiol 2012; 59(2): 119–127, http://dx.doi.org/10.1016/j.jacc.2011.09.045.
19. Wong D.T., Bertaso A.G., Liew G.Y., Thomson V.S., Cunnington M.S., Richardson J.D., Gooley R., Lockwood S., Meredith I.T., Worthley M.I., Worthley S.G. Relationship of aortic annular eccentricity and paravalvular regurgitation post transcatheter aortic valve implantation with CoreValve. J Invasive Cardiol 2013; 25(4): 190–195.
20. Kalejs M., von Segesser L.K. Rapid prototyping of compliant human aortic roots for assessment of valved stents. Interact Cardiovasc Thorac Surg 2009; 8(2): 182–186, http://dx.doi.org/10.1510/icvts.2008.194134.
21. Baillargeon B., Rebelo N., Fox D.D., Taylor R.L., Kuhl E. The living heart project: a robust and integrative simulator for human heart function. Eur J Mech A Solids 2014; 48: 38–47, http://dx.doi.org/10.1016/j.euromechsol.2014.04.001.
22. Овчаренко Е.А., Клышников К.Ю., Савра­сов Г.В., Нуш­таев Д.В., Глушкова Т.В. Выбор оптимальных геометрических параметров ячейки опорного каркаса транс­катетерного протеза клапана аорты. Компьютерные исследования и моделирование 2014; 6(6): 943–954.

Ovcharenko E.A., Klyshnikov K.U., Savrasov G.V., Batranin A.V., Ganykov V.I., Kokov A.N., Nushtaev D.V., Dolgov V.Y., Kudryavtseva Y.A., Barbarash L.S. Predicting the Outcomes of Transcatheter Aortic Valve Prosthesis Implantation Based on the Finite Element Analysis and Microcomputer Tomography Data. Sovremennye tehnologii v medicine 2016; 8(1): 82, https://doi.org/10.17691/stm2016.8.1.11