ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ КЛАПАНА ДЛЯ ПЕРВИЧНОЙ БЕСШОВНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ

Основные положения

• Представленную численную модель опорного каркаса биопротеза для бесшовной фиксации необходимо оптимизировать с целью уменьшения амплитуд напряжения по Мизесу.
• Представленная постановка численного моделирования валидирована на примере исследования коммерческих аналогов.

Резюме

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

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. 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. 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.

1. Salaun 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.2019.09.007

2. Ганюков 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.

3. 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.1671-5411.2020.01.005

4. Алекян 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: 10.24183/2409-4080-2022-9S

5. 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).73-84

6. 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.2009.03.002

7. Cicciù M. Bioengineering Methods of Analysis and Medical Devices: A Current Trends and State of the Art. Materials. 2020; 13(3): 797. doi:10.3390/ma13030797

8. Driscoll 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/s40846-018-0428-4

9. Marrey 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:10.1115/1.4039173

10. Tzamtzis 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.2012.04.009

11. Онищенко 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.2022.12.53763.174-22

12. 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/EIJV11I9A212

13. 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

14. Gunning 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/s10439-014-1051-3

15. Russ 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.2013.6609599

16. Bailey 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:10.1080/10255842.2015.1058928

17. Nappi 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/bioengineering8050052

18. Bianchi 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.12806

19. Tzamtzis 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