kpcczКомплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеванийComplex Issues of Cardiovascular Diseases2306-12782587-9537Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”10.17802/2306-1278-2023-12-4S-102-109kpccz-1440Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. Патологическая физиология. Трансплантология и искусственные органыЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ КЛАПАНА ДЛЯ ПЕРВИЧНОЙ БЕСШОВНОЙ ИМПЛАНТАЦИИNUMERICAL INVESTIGATION OF THE VALVE MODEL FOR PRIMARY SUTURELESS IMPLANTATIONhttps://orcid.org/0000-0003-3211-1250КлышниковКирилл ЮрьевичKlyshnikovKirill Yu.

кандидат медицинских наук научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

klyshnikovk@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7477-3979ОвчаренкоЕвгений АндреевичOvcharenkoEvgeny A.

кандидат технических наук заведующий лабораторией новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD, Head of the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

ovchea@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2404-2873ОнищенкоПавел СергеевичOnishchenkoPavel S.

младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

Junior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

onisps@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4890-0393ГлушковаТатьяна ВладимировнаGlushkovaTatyana V.

кандидат биологических наук старший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD, Senior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

glushtv@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6099-0315КостюнинАлександр ЕвгеньевичKostyuninAlexander E.

кандидат биологических наук научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD., Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

kostae@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4405-8904РезвоваМария АлександровнаRezvovaMaria A.

младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

Junior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

rezvma@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4642-3610БарбарашОльга ЛеонидовнаBarbarashOlga L.

академик РАН, доктор медицинских наук, профессор директор федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD, Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, Director of the Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

barbol@kemcardio.ruФедеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний»РоссияFederal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”Russian Federation202329122023124Sприложение102109Copyright © Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Онищенко П.С., Глушкова Т.В., Костюнин А.Е., Резвова М.А., Барбараш О.Л., 20242024Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Онищенко П.С., Глушкова Т.В., Костюнин А.Е., Резвова М.А., Барбараш О.Л.Klyshnikov K.Y., Ovcharenko E.A., Onishchenko P.S., Glushkova T.V., Kostyunin A.E., Rezvova M.A., Barbarash O.L.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nii-kpssz.com/jour/article/view/1440Основные положения

Основные положения

 

 

Резюме

Резюме

Цель

Цель. Оценка напряженно-деформированного состояния трех компьютерных моделей опорных каркасов протезов для бесшовной фиксации в процессе кримпирования и придания рабочей формы.

Материалы и методы

Материалы и методы. Объектом исследования стали три модели стентоподобных опорных каркаса баллонорасширяемых устройств, которые должны стать основой для последующей разработки отечественного протеза клапана аорты: две модели коммерческих биопротезов, одна – экспериментальная. Объекты оценивали численно в условиях исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в стентовых опорных каркасах, при имитации двух нагрузок: кримпирования и придания рабочей формы. Исследование проводили в комплексе численного моделирования Abaqus/CAE (Dassault Systemes, Франция). Ключевыми показателями для оценки стали напряжение по Мизесу, как критерий прочности, и особенности его распределения в материале каркасов, наличие и доля эластического рекойла.

Результаты

Результаты. Показано, что все образцы способны достичь требуемого диаметра без избыточности материала. По данным количественного исследования напряжения по Мизесу, коммерческие модели биопротезов демонстрируют амплитуды показателя (892,4 и 916,8 МПа) ниже предела прочности материала, в то время как собственная модель превышает этот предел, достигая 991,4 Мпа, что требует оптимизации геометрии. Придание рабочей формы указывает на то, что все модели обеспечивают безопасное раскрытие до 26 мм, с уровнем напряжения по Мизесу в диапазоне 882,4–914,1 МПа, что ниже предела прочности сплава кобальт-хром. Наблюдается гетерогенное распределение напряжения, с концентрацией в областях стыка ламелей.

Заключение

Заключение. Численное моделирование и метод конечных элементов могут быть эффективно применены для оценки напряженно-деформированного состояния стентоподобных протезов. Оптимизация геометрии и дальнейшее развитие данной разработки – создание отечественной системы малоинвазивного протезирования клапана аорты на основе рассмотренного метода моделирования – могут способствовать повышению доступности этого метода лечения.

Highlights

Highlights

 

 

Abstract

Abstract

Aim

Aim. To assess the stress-strain state of three computer models of TAVI prosthesis support frames during crimping and shaping to the delivery configuration.

Methods

Methods. The study included three models of stent-like support frames for balloon-expandable devices, which are intended to serve as a foundation for the subsequent development of a domestic aortic valve prosthesis: two models of commercial bioprostheses and one experimental. The objects were evaluated numerically under the conditions of stress-strain state that arises in the stent support frames, simulating two loads: crimping and shaping to the delivery configuration. The study was conducted using the numerical modeling complex Abaqus/CAE (“Dassault Systemes”, France). The key indicators for evaluation were the von Mises stress, as a strength criterion, and its distribution over the frame; the presence and proportion of elastic recoil.

Results

Results. It was shown that all samples are capable of reaching the required diameter without excessive material. A quantitative investigation of the Von Mises stress showed that commercial models display amplitudes below the material`s strength limit (892.4 and 916.8 MPa), whereas the proprietary model exceeds this limit, reaching 991.4 MPa, requiring geometry optimization. Shaping to the delivery configuration indicates that all models provide safe expansion up to 26 mm, with a Von Mises stress level in the range of 882.4–914.1 MPa, which is below the strength limit of the cobalt-chrome alloy. Moreover, we have noted heterogeneous stress distribution, with concentration in the lamella junction areas.

Conclusion

Conclusion. Thus, it has been demonstrated that numerical modeling and the finite element method can be effectively applied to assess the stress-strain state of sutureless prostheses. Geometry optimization and further development of this project – the development of a Russian minimally invasive aortic valve prosthetic system, may contribute towards increasing the accessibility of this treatment method.

Протезирование клапана аортыМетод конечных элементовНапряжение по МизесуОптимизация геометрииAortic valve prostheticsFinite element methodVon Mises stressGeometry optimizationРезультаты получены при поддержке Российской Федерации в лице Министерства науки и высшего образования РФ в рамках соглашения о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидий от 30 сентября 2022 г. № 075-15-2022-1202, комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Разработка и внедрение комплекса технологий в областях разведки и добычи твердых полезных ископаемых, обеспечения промышленной безопасности, биоремедиации, создания новых продуктов глубокой переработки из угольного сырья при последовательном снижении экологической нагрузки на окружающую среду и рисков для жизни населения» (утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 11 мая 2022 г. № 1144-р).ReferencesSalaun E., Pibarot P., Rodés-Cabau J. Transcatheter Aortic Valve Replacement: Procedure and Outcomes. Cardiol Clin. 2020;38(1):115-128.doi:10.1016/j.ccl.2019.09.007Salaun E., Pibarot P., Rodés-Cabau J. Transcatheter Aortic Valve Replacement: Procedure and Outcomes. Cardiol Clin. 2020;38(1):115-128.doi:10.1016/j.ccl.2019.09.007Ганюков В.И., Тарасов Р.С., Верещагин И.Е., Кочергин Н.А., Стасев А.Н., Нагирняк О.А., Барбараш Л.С. Транскатетерная имплантация аортального клапана и открытая хирургия аортального порока: сравнительная оценка результатов. Евразийский Кардиологический Журнал. 2018;(4):4-18. doi:10.38109/2225-1685-2018-4-4-18.Ganyukov V.I., Tarasov R.S., Vereshchagin I.E., Kochergin N.A., Stasev A.N., Nagirnyak O.A., Barbarash L.S. Transcatheter aortic valve implantation and open aortic surgery: comparative assessment of results. Eurasian heart journal. 2018;(4):4-18. doi:10.38109/2225-1685-2018-4-4-18 (In Russian)Malik A.H., Zaid S., Ahmad H., Goldberg J., Dutta T., Undemir C., Cohen M., Aronow W.S., Lansman S.L. A meta-analysis of 1-year outcomes of transcatheter versus surgical aortic valve replacement in low-risk patients with severe aortic stenosis. Journal of geriatric cardiology : JGC. 2020; 17(1): 43–50. doi:10.11909/j.issn.1671-5411.2020.01.005Malik A.H., Zaid S., Ahmad H., Goldberg J., Dutta T., Undemir C., Cohen M., Aronow W.S., Lansman S.L. A meta-analysis of 1-year outcomes of transcatheter versus surgical aortic valve replacement in low-risk patients with severe aortic stenosis. Journal of geriatric cardiology : JGC. 2020; 17(1): 43–50. doi:10.11909/j.issn.1671-5411.2020.01.005Алекян Б.Г., Григорьян А.М., Стаферов А.В., Карапетян Н.Г. Рентгенэндоваскулярная диагностика и лечение заболеваний сердца и сосудов в Российской Федерации – 2021 год. Эндоваскулярная хирургия. 2022;9: 1–254. doi: 10.24183/2409-4080-2022-9SAlekyan B.G., Grigoryan A.M., Staferov A.V., Karapetyan N.G. Endovascular diagnosis and treatment in the Russian Federation – 2021. Russian Journal of Endovascular surgery. 2022; 9:1–254. doi: 10.24183/2409-4080-2022-9S (In Russian)Попова И.Н., Сергеева Т.Л. Импортозамещение в современной России: проблемы и перспективы. Beneficium. 2022; 2(43): 73–84. doi:10.34680/BENEFICIUM.2022.2(43).73-84Popova I.N., Sergeeva T.L. Import Substitution in Modern Russia: Problems and Prospects. Beneficium. 2022; 2(43): 73-84. doi: 10.34680/BENEFICIUM.2022.2(43).73-84 (In Russian)Prendergast P.J., Lally C., Lennon A.B. Finite element modelling of medical devices. Medical Engineering & Physics. 2009; 31(4): 419. doi:10.1016/j.medengphy.2009.03.002Prendergast P.J., Lally C., Lennon A.B. Finite element modelling of medical devices. Medical Engineering & Physics. 2009; 31(4): 419. doi:10.1016/j.medengphy.2009.03.002Cicciù M. Bioengineering Methods of Analysis and Medical Devices: A Current Trends and State of the Art. Materials. 2020; 13(3): 797. doi:10.3390/ma13030797Cicciù M. Bioengineering Methods of Analysis and Medical Devices: A Current Trends and State of the Art. Materials. 2020; 13(3): 797. doi:10.3390/ma13030797Driscoll M. The Impact of the Finite Element Method on Medical Device Design. Journal of Medical and Biological Engineering. 2019; 39(2): 171–172. doi:10.1007/s40846-018-0428-4Driscoll M. The Impact of the Finite Element Method on Medical Device Design. Journal of Medical and Biological Engineering. 2019; 39(2): 171–172. doi:10.1007/s40846-018-0428-4Marrey R., Baillargeon B., Dreher M.L., Weaver J.D., Nagaraja S., Rebelo N., Gong X.-Y. Validating Fatigue Safety Factor Calculation Methods for Cardiovascular Stents. Journal of biomechanical engineering. 2018; 140(6). doi:10.1115/1.4039173Marrey R., Baillargeon B., Dreher M.L., Weaver J.D., Nagaraja S., Rebelo N., Gong X.-Y. Validating Fatigue Safety Factor Calculation Methods for Cardiovascular Stents. Journal of biomechanical engineering. 2018; 140(6). doi:10.1115/1.4039173Tzamtzis 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). Medical Engineering and Physics. 2013; doi:10.1016/j.medengphy.2012.04.009Tzamtzis 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). Medical Engineering and Physics. 2013; doi:10.1016/j.medengphy.2012.04.009Онищенко П.С., Глушкова Т.В., Костюнин А.Е., Резвова М.А., Барбараш Л.С. Физико-механические характеристики биоматериалов-лоскутов для задач численного моделирования. Журнал технической физики. 2022; 9(12): 1959–1966. doi:10.21883/JTF.2022.12.53763.174-22Onishchenko P.S., Glushkova T.V., Kostyunin A.E., Rezvova M.A., Barbarash L.S. Physico-mechanical characteristics of biomaterial flaps for numerical modeling problems. Journal of Technical Physics. 2022; 9(12): 1959–1966. doi:0.21883/JTF.2022.12.53763.174-22 (In Russian)Schultz C., Rodriguez-Olivares R., Bosmans J., Lefèvre T., De Santis G., Bruining N., Collas V., Dezutter T., Bosmans B., Rahhab Z., El Faquir N., Watanabe Y., Segers P., Verhegghe B., Chevalier B., Van Mieghem N., De Beule M., Mortier P., De Jaegere P. Patient-specific image-based computer simulation for the prediction of valve morphology and calcium displacement after TAVI with the Medtronic CoreValve and the Edwards SAPIEN valve. EuroIntervention. EuroIntervention; 2016; 11(9): 1044–1052. doi:10.4244/EIJV11I9A212Schultz C., Rodriguez-Olivares R., Bosmans J., Lefèvre T., De Santis G., Bruining N., Collas V., Dezutter T., Bosmans B., Rahhab Z., El Faquir N., Watanabe Y., Segers P., Verhegghe B., Chevalier B., Van Mieghem N., De Beule M., Mortier P., De Jaegere P. Patient-specific image-based computer simulation for the prediction of valve morphology and calcium displacement after TAVI with the Medtronic CoreValve and the Edwards SAPIEN valve. EuroIntervention. EuroIntervention; 2016; 11(9): 1044–1052. doi:10.4244/EIJV11I9A212Rocatello G., El Faquir N., De Santis G., Iannaccone F., Bosmans J., De Backer O., Sondergaard L., Segers P., De Beule M., De Jaegere P., Mortier P. Patient-Specific Computer Simulation to Elucidate the Role of Contact Pressure in the Development of New Conduction Abnormalities After Catheter-Based Implantation of a Self-Expanding Aortic Valve. Circulation. Cardiovascular interventions. Circ Cardiovasc Interv; 2018; 11(2). doi:10.1161/CIRCINTERVENTIONS.117.005344Rocatello G., El Faquir N., De Santis G., Iannaccone F., Bosmans J., De Backer O., Sondergaard L., Segers P., De Beule M., De Jaegere P., Mortier P. Patient-Specific Computer Simulation to Elucidate the Role of Contact Pressure in the Development of New Conduction Abnormalities After Catheter-Based Implantation of a Self-Expanding Aortic Valve. Circulation. Cardiovascular interventions. Circ Cardiovasc Interv; 2018; 11(2). doi:10.1161/CIRCINTERVENTIONS.117.005344Gunning P.S., Vaughan T.J., McNamara L.M. Simulation of self expanding transcatheter aortic valve in a realistic aortic root: implications of deployment geometry on leaflet deformation. Annals of biomedical engineering. United States; 2014; 42(9): 1989–2001. doi:10.1007/s10439-014-1051-3Gunning P.S., Vaughan T.J., McNamara L.M. Simulation of self expanding transcatheter aortic valve in a realistic aortic root: implications of deployment geometry on leaflet deformation. Annals of biomedical engineering. United States; 2014; 42(9): 1989–2001. doi:10.1007/s10439-014-1051-3Russ C., Hopf R., Hirsch S., Sundermann S., Falk V., Szekely G., Gessat M. Simulation of transcatheter aortic valve implantation under consideration of leaflet calcification. Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, EMBS. 2013; : 711–714. doi:10.1109/EMBC.2013.6609599Russ C., Hopf R., Hirsch S., Sundermann S., Falk V., Szekely G., Gessat M. Simulation of transcatheter aortic valve implantation under consideration of leaflet calcification. Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, EMBS. 2013; : 711–714. doi:10.1109/EMBC.2013.6609599Bailey J., Curzen N., Bressloff N.W. Assessing the impact of including leaflets in the simulation of TAVI deployment into a patient-specific aortic root. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering. England; 2016; 19(7): 733–744. doi:10.1080/10255842.2015.1058928Bailey J., Curzen N., Bressloff N.W. Assessing the impact of including leaflets in the simulation of TAVI deployment into a patient-specific aortic root. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering. England; 2016; 19(7): 733–744. doi:10.1080/10255842.2015.1058928Nappi F., Mazzocchi L., Spadaccio C., Attias D., Timofeva I., Macron L., Iervolino A., Morganti S., Auricchio F. CoreValve vs. Sapien 3 Transcatheter Aortic Valve Replacement: A Finite Element Analysis Study. Bioengineering. 2021; 8(5): 52. doi:10.3390/bioengineering8050052Nappi F., Mazzocchi L., Spadaccio C., Attias D., Timofeva I., Macron L., Iervolino A., Morganti S., Auricchio F. CoreValve vs. Sapien 3 Transcatheter Aortic Valve Replacement: A Finite Element Analysis Study. Bioengineering. 2021; 8(5): 52. doi:10.3390/bioengineering8050052Bianchi M., Marom G., Ghosh R.P., Fernandez H.A., Taylor J.R.J., Slepian M.J., Bluestein D. Effect of Balloon-Expandable Transcatheter Aortic Valve Replacement Positioning: A Patient-Specific Numerical Model. Artificial organs. 2016; 40(12): E292–E304. doi:10.1111/aor.12806Bianchi M., Marom G., Ghosh R.P., Fernandez H.A., Taylor J.R.J., Slepian M.J., Bluestein D. Effect of Balloon-Expandable Transcatheter Aortic Valve Replacement Positioning: A Patient-Specific Numerical Model. Artificial organs. 2016; 40(12): E292–E304. doi:10.1111/aor.12806Tzamtzis 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). Medical Engineering & Physics. 2013; 35(1): 125–130. doi:10.1016/j.medengphy.2012.04.009Tzamtzis 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). Medical Engineering & Physics. 2013; 35(1): 125–130. doi:10.1016/j.medengphy.2012.04.009

The authors declare that there are no conflicts of interest present.