Неинвазивный метод анализа функционирования in vivo бескаркасного протеза клапана сердца «ТиАра»

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.

1. Бокерия Л.А., Милиевская Е.Б., Кудзоева З.Ф., Прянишников В.В., Скопин А.И., Юрлов И.А. Сердечно-сосудистая хирургия – 2018. Болезни и врожденные аномалии системы кровообращения. М; 2018.

2. Jaffer I.H., Whitlock R.P. A mechanical heart valve is the best choice. Heart Asia. 2016; 8(1): 62–64. doi:10.1136/heartasia-2015-010660

3. Костюнин А.Е., Овчаренко Е.А., Клышников К.Ю. Современное понимание механизмов структурной дегенерации биопротезов клапанов сердца. Российский кардиологический журнал. 2018; 11: 145–152. doi:10.15829/1560-4071-2018-11-145-152

4. Nkomo V.T., Gardin J.M., Skelton T.N., Gottdiener J.S., Scott C.G., Enriquez-Sarano M. Burden of valvular heart diseases: a population-based study. Lancet. 2006; 368(9540): 1005–1011. doi:10.1016/S0140-6736(06)69208-8

5. Dunning J., Gao H., Chambers J., Moat N., Murphy G., Pagano D., Ray S., Roxburgh J., Bridgewater B. Aortic valve surgery: Marked increases in volume and significant decreases in mechanical valve use - An analysis of 41,227 patients over 5 years from the Society for Cardiothoracic Surgery in Great Britain and Ireland National database. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. Mosby Inc. 2011; 142(4). doi:10.1016/j.jtcvs.2011.04.048

6. Nappi F., Mazzocchi L., Avtaar Singh S.S., Morganti S., Sablayrolles J.-L., Acar C., Auricchio F. Complementary Role of the Computed Biomodelling through Finite Element Analysis and Computed Tomography for Diagnosis of Transcatheter Heart Valve Thrombosis. BioMed research international. 2018; 2018: 1346308. doi:10.1155/2018/1346308

7. Bianchi M., Marom G., Ghosh R.P., Rotman O.M., Parikh P., Gruberg L., Bluestein D. Patient-specific simulation of transcatheter aortic valve replacement: impact of deployment options on paravalvular leakage. Biomechanics and modeling in mechanobiology. 2019; 18(2): 435–451. doi:10.1007/s10237-018-1094-8

8. Астапов Д.А., Журавлева И.Ю., Клышников К.Ю., Щеглова Н.А., Демидов Д.П., Овчаренко Е.А., Железнев С.И. Экспериментальное и клиническое обоснование эффективности имплантации в аортальную позицию биопротеза «ТИАРА» на каркасе из нитинола. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2013; (4): 12–21

9. Nitinol Devices & Components. Material Data Sheet. Superelastic Nitinol Alloys. Available at: https://confluentmedical.com/wp-content/uploads/2016/01/Material-Data-Sheet-Superelastic.pdf. (accessed 23.02.2021).

10. Beller C.J., Labrosse M.R., Thubrikar M.J., Robicsek F. Role of Aortic Root Motion in the Pathogenesis of Aortic Dissection. Circulation. 2004; 109(6): 763–769. doi:10.1161/01.CIR.0000112569.27151.F7

11. Wei W., Evin M., Rapacchi S., Kober F., Bernard M., Jacquier A., Kahn C.J.F., Behr M. Investigating heartbeat-related in-plane motion and stress levels induced at the aortic root. BioMedical Engineering Online. 2019; 18(1):19. doi:10.1186/s12938-019-0632-7

12. Cheng A., Dagum P., Miller D.C. Aortic root dynamics and surgery: from craft to science. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences. 2007; 362(1484): 1407–1419. doi:10.1098/rstb.2007.2124

13. Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Нуштаев Д.В., Барбараш Л.С. Усталостная прочность нового биопротеза клапана сердца. Современные технологии в медицине. 2017; 9(2): 46–51. doi:10.17691/stm2017.9.2.05

14. Шатов Д.В., Захарьян Е.А. Диагностические возможности при дисфункции протезов клапанов сердца (обзор литературы). Медицина неотложных состояний. 2018; 5(92): 34–37. doi:10.22141/2224-0586.5.92.2018.143229

15. Шилько С.В., Хиженок В.Ф., Аничкин В.В. Биомеханические аспекты создания полимерного протеза клапана сердца нового поколения. Проблемы здоровья и экологии. 2010; 1(23): 136–141

16. Sodhani D., Reese S., Aksenov A., Soğanci S., Jockenhövel S., Mela P., Stapleton S.E. Fluid-structure interaction simulation of artificial textile reinforced aortic heart valve: Validation with an in-vitro test. Journal of Biomechanics. 2018; 78: 52–69. doi:10.1016/j.jbiomech.2018.07.018.

17. Luraghi G., Wu W., De Gaetano F., Rodriguez Matas J.F., MoggridgeG.D.,SerraniM.,StasiakJ.,CostantinoM.L.,Migliavacca F. Evaluation of an aortic valve prosthesis: Fluid-structure interaction or structural simulation? Journal of Biomechanics. 2017; 58: 45–51. doi:10.1016/j.jbiomech.2017.04.004

18. Luraghi G., Migliavacca F., Rodriguez Matas J.F. Study on the Accuracy of Structural and FSI Heart Valves Simulations. Cardiovascular Engineering and Technology. Springer New York LLC; 2018; 9(4): 723–738. doi:10.1007/s13239-018-00373-3

19. Астапов Д.А., Демидов Д.П., Семенова Е.И., Железнев С.И., Зорина И.Г., Сырцева Я.В. Первый опыт имплантации ксеноперикардиального протеза с каркасом переменной жесткости тиара в аортальную позицию. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2015; 17(2): 73–75. doi:10.21688/1681-3472-2013-2-73-75