Онищенко Павел Сергеевич - младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины.
Сосновый бульвар, 6, Кемерово, 650002.
Pavel S. Onishchenko - Junior Researcher at the Laboratory for Novel Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.
6, Sosnoviy Blvd., Kemerovo, 650002.
Клышников Кирилл Юрьевич - научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины.
Сосновый бульвар, 6, Кемерово, 650002.
Kirill Yu. Klyshnikov - Researcher at the Laboratory for Novel Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.
6, Sosnoviy Blvd., Kemerovo, 650002.
Овчаренко Евгений Андреевич - заведующий лабораторией новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины.
Сосновый бульвар, 6, Кемерово, 650002.
Evgeny A. Ovcharenko - Head of the Laboratory for Novel Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.
6, Sosnoviy Blvd., Kemerovo, 650002.
Стасев Александр Николаевич - научный сотрудник лаборатории пороков сердца отдела хирургии сердца и сосудов.
Сосновый бульвар, 6, Кемерово, 650002.
Alexander N. Stasev - Researcher at the Laboratory of Heart Defects, Department of Cardiovascular Surgery, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.
6, Sosnoviy Blvd., Kemerovo, 650002.
Коков Александр Николаевич - заведующий лабораторией лучевых методов диагностики отдела клинической кардиологии.
Сосновый бульвар, 6, Кемерово, 650002.
Alexander N. Kokov - Head of the Laboratory of Radiation Diagnostic Methods, Department of Clinical Cardiology, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.
6, Sosnoviy Blvd., Kemerovo, 650002.
Брель Наталья Кирилловна - младший научный сотрудник лаборатории лучевых методов диагностики отдела хирургии сердца и сосудов.
Сосновый бульвар, 6, Кемерово, 650002.
Natalia K. Brel - Junior Researcher at the Laboratory of Radiation Diagnostic Methods, Department of Cardiovascular Surgery, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.
6, Sosnoviy Blvd., Kemerovo, 650002.
Евтушенко Алексей Валерьевич - заведующий лабораторией пороков сердца отдела хирургии сердца и сосудов.
Сосновый бульвар, 6, Кемерово, 650002.
Alexey V. Yevtushenko - Head of the Laboratory of Heart Defects, Department of Cardiovascular Surgery, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.
6, Sosnoviy Blvd., Kemerovo, 650002.
Барбараш Леонид Семенович - главный научный сотрудник.
Сосновый бульвар, 6, Кемерово, 650002.
Leonid S. Barbarash - Leading Researcher at the Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.
6, Sosnoviy Blvd., Kemerovo, 650002.
Основные положения. Продемонстрирован метод неинвазивной оценки подвижности и деформации проволочного компонента биопротеза во время сердечного цикла с использованием разработанного математического алгоритма. Впервые показаны результаты численного анализа перемещений проволочного элемента биопротеза «ТиАра». Разработанный метод возможно применять для других медицинских изделий.
Цель. Разработать метод неинвазивной оценки подвижности и деформации проволочного компонента биопротеза клапана аорты в ходе сердечного цикла на основе математической обработки медицинских графических данных.
Материалы и методы. Основой для анализа стали данные мультиспиральной компьютерной томографии пациента П. (мужчина, 66 лет), которому имплантирован биопротез «ТиАра» (ЗАО «НеоКор», Кемерово). С использованием встроенных инструментов программного пакета Mimics (Materialize, Бельгия) на основании рентгенологической плотности реконструировали в виде 3D-моделей пять стадий движения проволочного компонента исследуемого биопротеза. Различия между моделями, характеризующее их деформацию в ходе сердечного цикла, оценивали количественно, используя собственный алгоритм в среде Matlab (The MathWorks, США), вычисляя расстояние между аналогичными точками. Дополнительно полученную информацию о перемещениях использовали при численном исследовании напряженно-деформированного состояния 3D-модели опорного каркаса методом конечных элементов в среде Abaqus/CAE (Dassault Systèmes SE, Франция).
Результаты. Продемонстрированный метод оценки подвижности проволочного элемента биопротеза позволил количественно оценить биомеханику исследуемого бескаркасного биопротеза клапана сердца «ТиАра» в динамике на основе неинвазивного клинического инструмента – мультиспиральной компьютерной томографии. Перемещения, которые претерпевает биопротез во время сердечного цикла (максимальное значение – 2,04 мм в радиальном направлении от центра), на примере данного пациента являются сопоставимыми с движением корня аорты здорового пациента. По приведенным результатам численного моделирования напряженного состояния проволочного компонента биопротеза не выявлено высоких амплитуд данного показателя (пиковое значение – 564 МПа), способных вызвать критические для целостности каркаса состояния, что позволяет сделать вывод, подтверждающий конструктивную безопасность биопротеза в реальных условиях эксплуатации, характеризуемых асимметричными, неравномерными нагрузками. Кроме того, деформации, возникающие в процессе функционирования исследованного протеза, аналогичны по амплитудам перемещениям корня аорты, описанным в литературе, что свидетельствует о реализации основной особенности бескаркасного биопротеза – обеспечения физиологичной биомеханики цикла «систола – диастола».
Заключение. Представленный метод качественной компьютерной оценки перемещения каркасных элементов заместителей клапанов сердца на примере биопротеза «ТиАра» показывает состоятельность как инструмент исследования их функционирования.
Highlights. Non-invasive method for the assessment of the mobility and deformation of the wire element of the bioprosthesis in the cardiac cycle based on the developed mathematical algorithm is presented. Numerical analysis of the behavior of the wire element of the “TiAra” bioprosthesis is shown for the first time. The developed method can be used for other medical devices as well.
Aim. To develop a method for non-invasive assessment of the mobility and deformation of the wire element of the aortic heart valve bioprosthesis in the cardiac cycle based on mathematical processing of visual medical data.
Methods. Multidetector computed tomography data of patient P. (male, 66 years old), who received the “TiAra” aortic bioprosthesis (NeoCor CJSC, Kemerovo), were used for the study. Using the built-in tools in the Mimics Medical Image Processing Software (Materialize, Belgium), based on the radio density, 5 stages of movement of the wire element of the bioprosthesis were reconstructed in the form of 3D-models. The differences between the models, characterizing deformation in the cardiac cycle, were quantitatively assessed using a proprietary Matlab algorithm (The MathWorks, USA), calculating the distance between similar points. Moreover, obtained data on displacements was used in the numerical study of the stress-strain state of a 3D-model of the wire element by the finite element method in the Abaqus/CAE software (Dassault Systèmes SE, France).
Results. The proposed method for assessing the mobility of the wire element made it possible to quantitatively evaluate the biomechanics of the “TiAra” stentless bioprosthesis based on multidetector computed tomography, a non-invasive clinical tool. The movements that the bioprosthesis undergoes during the cardiac cycle (the maximum value is 2.04 mm in the radial direction) are comparable to the movement of the aortic root of a healthy patient. The results of the numerical modeling of the stress state of the wire element did not indicate high amplitudes (peak value – 564 MPa) that would be capable of causing critical damage to the wire. It allows us to confirm the clinical safety of the bioprosthesis in real conditions like asymmetric and uneven loads. Moreover, deformations observed in the bioprosthesis are similar in the amplitude to the displacements of the aortic root described in the literature, which highlights the main feature of the bioprosthesis – ensuring the physiological biomechanics throughout the cardiac cycle.
Conclusion. The presented method of qualitative computer assessment of the movement of the wire element of heart valve prosthesis using the “TiAra” bioprosthesis as an example demonstrates its validity as a tool for studying prosthesis functioning.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.