Овчаренко Евгений Андреевич, кандидат технических наук, заведующий лабораторией новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины
Сосновый бульвар, 6, Кемерово, 650002
Ovcharenko Evgeny A., Ph.D., head of the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine
6, Sosnoviy blvd, Kemerovo, 650002
Онищенко Павел Сергеевич, младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины
Сосновый бульвар, 6, Кемерово, 650002
Onishchenko Pavel S., Junior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine
6, Sosnoviy blvd, Kemerovo, 650002
Клышников Кирилл Юрьевич, кандидат медицинских наук, научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины
Сосновый бульвар, 6, Кемерово, 650002
Klyshnikov Kirill Yu., Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine
6, Sosnoviy blvd, Kemerovo, 650002
Основные положения. С использованием алгоритмов численной оптимизации возможно качественно улучшить характер работы (смыкания) створчатого аппарата протеза клапана сердца. Изменение длины свободного края створки протеза не уменьшает амплитуду напряжения по Мизесу и не меняет характер его распределения на эпюрах.
Цель. Численное исследование напряженно-деформированного состояния протеза клапана сердца с позиции воздействия физиологических нагрузок и определение путей оптимизации геометрии биологического створчатого аппарата.
Материалы и методы. Объектом исследования стали трехмерная модель протеза клапана сердца «ЮниЛайн» (ЗАО «НеоКор», Россия) типоразмера 23 мм, а также четыре модификации, ориентированные на изменение длины свободного края. Исследование проводили с использованием метода конечных элементов с имитацией полного цикла работы створчатого аппарата в условиях физиологического режима (давления, частоты сердечных сокращений). Параметрами для анализа выступили качественно-количественные характеристики напряженно-деформированного состояния работы пяти исследуемых геометрий.
Результаты. Показано, что области высокого напряжение сконцентрированы в двух зонах – периферической и свободного края, независимо от геометрии. Однако количественно амплитуды напряжения по Мизесу различались между исследованными моделями. Так, форма створки, условно обозначенная как –10 °, продемонстрировала наименьшую амплитуду данного показателя относительно исходной, немодифицированной, модели створок, снизив таким образом максимум на 18,8%. Однако для закрытого состояния данная модель, напротив, показала рост показателя напряжения относительно исходного на 8,3%. У других вариантов модификаций определены схожие тенденции.
Заключение. Несмотря на исходную предпосылку оптимизации створчатого аппарата – уменьшение длины свободного края и исключение деформаций закрытого состояния, предложенные варианты геометрии существенно не изменили карту распределения напряжений в материале, а также не позволили значимо снизить амплитуды данного параметра. Предположительно, более перспективными могут стать варианты модификации геометрии и/или свойств (жесткости, подвижности) другого немаловажного компонента биопротеза – опорного каркаса, который помимо несущей функции обеспечивает демпфирование гидродинамического удара на створку за счет некоторой подвижности.
Highlights. With the use of numerical optimization algorithms, it is possible to qualitatively improve the performance (closing) of the leaflet apparatus of the heart valve prosthesis. Changing the length of the free edge of the lealflet of the prosthesis does not reduce the von Misess stress amplitude and does not change the nature of its distribution on the diagrams.
Aim. Numerical study of the stress-strain state of a clinical heart valve prosthesis from the point of view of the impact of physiological loads and determination of ways to optimize the geometry of the biological leaflet apparatus.
Methods. The object of study was a three-dimensional model of the UniLine (NeoCor, Russia) clinical prosthesis of the heart valve, size 23 mm, as well as four modifications focused on changing the length of the free edge. The study was carried out using the finite element method with imitation of the full cycle of operation of the leaflet apparatus under physiological conditions (pressure, heart rate). The parameters for the analysis were the qualitative and quantitative characteristics of the stress-strain state of the work of the five studied geometries.
Results. It is shown that high stress areas are concentrated in two zones peripheral and free edges, regardless of the geometry. However, quantitatively, the von Mises stress amplitudes differed between the studied models. For example, the leaf shape, conventionally designated as “–10” degrees, demonstrated the smallest amplitude of this indicator relative to the original unmodified leaf model, thus reducing by a maximum of 18.8%. However, for the closed state, this model, on the contrary, showed an increase in the voltage index relative to the initial one by 8.3%. Other modification options showed similar trends.
Conclusion. It is shown that despite the initial premise for optimizing the leaflet apparatus – reducing the length of the free edge and eliminating deformations of the closed state, the proposed geometry options did not significantly change the stress distribution map in the material, and also did not allow to significantly reduce the amplitudes of this parameter. Presumably, options for modifying the geometry and/or properties (rigidity, mobility) of another important component of the bioprosthesis, the support frame, which, in addition to the bearing function, provides damping of the hydrodynamic impact on the leaf due to some of its mobility, may become more promising.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.