Оценка гемодинамической значимости парапротезной фистулы после транскатетерной имплантации аортального клапана

Основные положения. На основе реконструированных из данных МСКТ и реологических параметров кровотока, полученных из ЭхоКГ пациента, произведена численная оценка гемодинамических эффектов транскатетерной имплантации протеза аортального клапана для случая возникновения парапротезной регургитации. Показано значительное повышение показателей скоростей тока, пристеночного и вязкого сдвигового напряжений в области парапротезной регургитации. Представленный метод моделирования может быть использован проспективно при выборе оптимального подхода и оценке параметров протезирования с точки зрения прогноза количественных характеристик потока, связанных с рисками разрушения эритроцитов и тромбообразованием.

Цель. Численная оценка гемодинамических эффектов транскатетерной имплантации протеза аортального клапана для случая возникновения парапротезной регургитации на основе ретроспективных клинических данных.

Материалы и методы. В исследование включены данные функциональных методов исследования – эхокардиографии и компьютерной томографии в качестве входных данных для моделирования одной пульсации жидкости, аналогичной по свойствам крови. Реконструкцию парапротезной фистулы и восходящего отдела аорты проводили в среде Mimics (Materialise, Бельгия). Обработку полученных трехмерных моделей осуществляли в программном средстве Salome (OPEN CASCADE SAS, Франция), после чего экспортировали в HELYX-OS (ENGYS, Великобритания) для построения конечноэлементной сетки. Для моделирования потоков использовали программный комплекс OpenFOAM, версия 6 (The OpenFOAM Foundation Ltd, Великобритания).

Результаты. Результат моделирования, выраженный количественно и качественно в виде эпюр измеряемых параметров – скоростей тока, пристеночного и вязкого сдвигового напряжений, демонстрирует значительное повышение показателей в области парапротезной регургитации. Так, скорости патологической области составили 1,9–4,2 м/с, что до 3,8 превышает средние значения расчетной области в целом. Значение пристеночного сдвигового напряжения составило до 61 Па в критической области, что может свидетельствовать    о повышенном риске образования тромбов за счет запуска свертывающего каскада через фактор фон Виллебранда. Значение вязкого сдвигового напряжения как основной компоненты разрушающего напряжения эритроцитов в случае ламинарного тока составило 19,1 Па, чего в целом недостаточно для механического гемолиза.

Заключение. Описанная в работе методика моделирования может быть использована проспективно при оценке оптимального подхода и параметров протезирования с точки зрения прогноза количественных характеристик потока, связанных с рисками разрушения эритроцитов и тромбообразованием.

1. Rocatello 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.117.005344

2. Perlman G.Y., Blanke P., Webb J.G. Transcatheter aortic valve implantation in bicuspid aortic valve stenosis. EuroIntervention. EuroPCR; 2016; 12: Y42–Y45. doi:10.4244/EIJV12SYA10

3. Thyregod H.G.H., Steinbrüchel D.A., Ihlemann N., Nissen H., Kjeldsen B.J., Petursson P., Chang Y., Franzen O.W., Engstrøm T., Clemmensen P., Hansen P.B., Andersen L.W., Olsen P.S., Søndergaard L. Transcatheter Versus Surgical Aortic Valve Replacement in Patients With Severe Aortic Valve Stenosis: 1-Year Results From the All-Comers NOTION Randomized Clinical Trial. Journal of the American College of Cardiology. J Am Coll Cardiol; 2015; 65(20): 2184–2194. doi:10.1016/J.JACC.2015.03.014

4. Mao W., Wang Q., Kodali S., Sun W. Numerical Parametric Study of Paravalvular Leak Following a Transcatheter Aortic Valve Deployment Into a Patient-Specific Aortic Root. Journal of biomechanical engineering. J Biomech Eng; 2018; 140(10). doi:10.1115/1.4040457

5. Bosmans B., Famaey N., Verhoelst E., Bosmans J., Vander Sloten J. A validated methodology for patient specific computational modeling of self-expandable transcatheter aortic valve implantation. Journal of biomechanics. J Biomech; 2016; 49(13): 2824–2830. doi:10.1016/J.JBIOMECH.2016.06.024

6. Saeedi A. Energetic and Hemodynamic Characteristics of Paravalvular Leak Following Transcatheter Aortic Valve Replacement. Concordia University, Montreal, Quebec, Canada; 2015.

7. El Faquir N., Ren B., van Mieghem N.M., Bosmans J., de Jaegere P.P. Patient-specific computer modelling - its role in the planning of transcatheter aortic valve implantation. Netherlands heart journal : monthly journal of the Netherlands Society of Cardiology and the Netherlands Heart Foundation. Neth Heart J; 2017; 25(2): 100–105. doi:10.1007/S12471-016-0923-6

8. Ovcharenko E.A., Klyshnikov K.U., Yuzhalin A.E., Savrasov G. V., Kokov A.N., Batranin A. V., Ganyukov V.I., Kudryavtseva Y.A. Modeling of transcatheter aortic valve replacement: Patient specific vs general approaches based on finite element analysis. Computers in Biology and Medicine. 2016; doi:10.1016/j.compbiomed.2015.12.001

9. Samavat H., Evans J.A. An ideal blood mimicking fluid for doppler ultrasound phantoms. Journal of Medical Physics / Association of Medical Physicists of India. Wolters Kluwer -- Medknow Publications; 2006; 31(4): 275. doi:10.4103/0971-6203.29198

10. Ferziger J.H., Perić M. Computational Methods for Fluid Dynamics. Computational Methods for Fluid Dynamics. Berlin: Springer; 2002. doi:10.1007/978-3-642-56026-2

11. Issa R.I. Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting. Journal of Computational Physics.Academic Press; 1986; 62(1): 40–65. doi:10.1016/0021-9991(86)90099-9

12. Рагулин В.В. К задаче о протекании вязкой жидкости сквозь ограниченную область при заданном перепаде давления или напора. Динамика сплошной среды. 1976; (27): 78.

13. Robertson A.M., Sequeira A., Owens R.G. Rheological models for blood. Modeling, Simulation and Applications. Springer, Milano; 2009; 1: 211–241. doi:10.1007/978-88-470-1152-6_6

14. Koos R., Mahnken A.H., Dohmen G., Brehmer K., Günther R.W., Autschbach R., Marx N., Hoffmann R. Association of aortic valve calcification severity with the degree of aortic regurgitation after transcatheter aortic valve implantation. International journal of cardiology. Int J Cardiol; 2011; 150(2): 142–145. doi:10.1016/J.IJCARD.2010.03.004

15. Mihara H., Shibayama K., Berdejo J., Harada K., Itabashi Y., Siegel R.J., Kashif M., Jilaihawi H., Makkar R.R., Shiota T. Impact of device landing zone calcification on paravalvular regurgitation after transcatheter aortic valve replacement: a real-time three-dimensional transesophageal echocardiographic study. Journal of the American Society of Echocardiography : official publication of the American Society of Echocardiography. J Am Soc Echocardiogr; 2015; 28(4): 404–414. doi:10.1016/J.ECHO.2014.11.013

16. Sakrana A.A., Nasr M.M., Ashamallah G.A., Abuelatta R.A., Naeim H.A., El Tahlawi M.A. Paravalvular leak after transcatheter aortic valve implantation: is it anatomically predictable or procedurally determined? MDCT study. Clinical radiology. Clin Radiol; 2016; 71(11): 1095–1103. doi:10.1016/J.CRAD.2016.07.016

17. Marwan M., Achenbach S., Ensminger S.M., Pflederer T., Ropers D., Ludwig J., Weyand M., Daniel W.G., Arnold M. CT predictors of post-procedural aortic regurgitation in patients referred for transcatheter aortic valve implantation: an analysis of 105 patients. The international journal of cardiovascular imaging. Int J Cardiovasc Imaging; 2013; 29(5): 1191–1198. doi:10.1007/S10554-013-0197-7

18. Sun W., Li K., Sirois E. Simulated elliptical bioprosthetic valve deformation: Implications for asymmetric transcatheter valve deployment. Journal of Biomechanics. J Biomech; 2010; 43(16): 3085–3090. doi:10.1016/j.jbiomech.2010.08.010

19. Morshed K.N., Bark D., Forleo M., Dasi L.P. Theory to Predict Shear Stress on Cells in Turbulent Blood Flow. PLOS ONE. Public Library of Science; 2014; 9(8): e105357. doi:10.1371/JOURNAL.PONE.0105357

20. Han S.I., Marseille O., Gehlen C., Blümich B. Rheology of blood by NMR. Journal of magnetic resonance (San Diego, Calif. : 1997). J Magn Reson; 2001; 152(1): 87–94. doi:10.1006/JMRE.2001.2387

21. Yen J.H., Chen S.F., Chern M.K., Lu P.C. The effect of turbulent viscous shear stress on red blood cell hemolysis. Journal of artificial organs : the official journal of the Japanese Society for Artificial Organs. J Artif Organs; 2014; 17(2): 178– 185. doi:10.1007/S10047-014-0755-3

22. Jhun C.S., Stauffer M.A., Reibson J.D., Yeager E.E., Newswanger R.K., Taylor J.O., Manning K.B., Weiss W.J., Rosenberg G. Determination of Reynolds shear stress level for hemolysis. ASAIO Journal. Lippincott Williams and Wilkins; 2017; 64(1): 63–69. doi:10.1097/MAT.0000000000000615

23. Goubergrits L., Osman J., Mevert R., Kertzscher U., Pöthkow K., Hege H.C. Turbulence in blood damage modeling. International Journal of Artificial Organs. Wichtig Publishing Srl; 2016; 39(4): 160–165. doi:10.5301/ijao.5000476

24. Geers A.J., Morales H.G., Larrabide I., Butakoff C., Bijlenga P., Frangi A.F. Wall shear stress at the initiation site of cerebral aneurysms. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2017; 16(1): 97–115. doi:10.1007/s10237-016-0804-3

25. Casa L.D.C., Deaton D.H., Ku D.N. Role of high shear rate in thrombosis. Journal of Vascular Surgery. 2015; 61(4): 1068–1080. doi:10.1016/j.jvs.2014.12.050