МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАЗДВИЖНОГО ПРОТЕЗА КЛАПАНА СЕРДЦА

Основные положения

● Численное моделирование показало, что опорные каркасы с заранее заданными зонами контролируемой деформации способны предсказуемо увеличивать диаметр при баллонной дилатации за счет локализованной пластической деформации и разрушения.

● Геометрия зоны деформации, в частности число изгибов, определяет характер распределения напряжений и позволяет управлять выраженностью и локализацией разрушения каркаса.

● Требуемые радиальные силы для расширения предложенных каркасов существенно ниже, чем для разрушения традиционных хирургических биопротезов, что подтверждает клиническую реализуемость конструкции.

Цель. Оценить возможность контролируемого увеличения диаметра опорного каркаса протеза клапана сердца за счет заранее спроектированных зон деформации с использованием численного моделирования методом конечных элементов.

Материал и методы. Объектом исследования стали три трехмерные модели опорных каркасов протеза клапана сердца с зонами контролируемой деформации, различающиеся числом изгибов (1, 3 и 5). Численное моделирование баллонной дилатации проводили в среде Abaqus/CAE. Расширение каркасов осуществляли на 2 мм по радиусу с последующим снятием нагрузки для оценки выраженности эффекта рекойла. Материал каркаса моделировали как нержавеющую сталь 316LVM с учетом пластических свойств. Анализировали напряжения по Мизесу, пластическую деформацию, изменение наружного диаметра, рекойл и радиальные силы.

Результаты. Для всех вариантов каркасов выявлена локализация максимальных напряжений и пластической деформации в извитых зонах, где напряжения превышали предел текучести и прочности материала. Это указывает на возможность контролируемого разрушения или необратимой деформации при дилатации. Увеличение числа изгибов приводило к снижению выраженности локальных зон разрушения и более равномерному распределению напряжений. Рекойл после снятия нагрузки составил 0,31 % для всех моделей. Радиальные силы, необходимые для расширения каркасов, находились в диапазоне 287–354 Н (2,8–3,5 атм.).

Заключение. Численное моделирование подтверждает реализуемость концепции раздвижного опорного каркаса протеза клапана сердца с зонами контролируемой деформации, обеспечивающей увеличение диаметра при умеренных дилатационных нагрузках.

1. 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, Ноябрь 25; 4: 4-11

2. Ганюков В.И., Тарасов Р.С., Колесников А.Ю., Ганюков И.В. Транскатетерная имплантация аортального клапана: от идеи до внедрения. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2024; 13(1): 152–164. doi:10.17802/2306-1278-2024-13-1-152-164

3. Ганюков В.И., Шлойдо Е.А., Тарасов Р.С., Рогулина Н.В., Халивопуло И.К., Ганюков И.В., Кочергина А.М., Сизова И.Н., Барбараш Л.С. Транссептальная транскатетерная имплантация биопротеза по методике «клапан-в-клапан» при дисфункции биологического протеза в митральной позиции: первый опыт. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2020; 24(1): 94–103. doi:10.21688/1681-3472-2020-1-94-103

4. Тарасов Р.С., Имаев Т.Э., Ганюков В.И., Рутковская Н.В., Одаренко Ю.Н., Барбараш Л.С. Транскатетерная реимплантация биопротеза клапана сердца пациенту с критической аортальной недостаточностью спустя 32 года после первичного протезирования. Грудная и сердечно-сосудистая хирургия. 2018; 60(2): 160–166. doi:10.24022/0236-2791-2018-60-2-160-166

5. Cao D., Albani S., Gall E., Hovasse T., Unterseeh T., Seknadji P., Champagne S., Garot P., Sayah N., Akodad M. Aortic Valve-in-Valve Procedures: Challenges and Future Directions. Journal of Clinical Medicine. 2024; 13(16): 4723. doi:10.3390/jcm13164723

6. Shahanavaz S., Asnes J.D., Grohmann J., Qureshi A.M., Rome J.J., Tanase D., Crystal M.A., Latson L.A., Morray B.H., Hellenbrand W., Balzer D.T., Gewillig M., Love J.C., Berdjis F., Gillespie M.J., McElhinney D.B. Intentional Fracture of Bioprosthetic Valve Frames in Patients Undergoing Valve-in-Valve Transcatheter Pulmonary Valve Replacement. Circulation: Cardiovascular Interventions. 2018; 11(8). doi:10.1161/CIRCINTERVENTIONS.118.006453

7. Chhatriwalla A.K., Allen K.B., Saxon J.T., Cohen D.J., Aggarwal S., Hart A.J., Baron S.J., Dvir D., Borkon A.M. Bioprosthetic Valve Fracture Improves the Hemodynamic Results of Valve-in-Valve Transcatheter Aortic Valve Replacement. Circulation: Cardiovascular Interventions. 2017; 10(7). doi:10.1161/CIRCINTERVENTIONS.117.005216

8. Nielsen-Kudsk J.E., Andersen A., Therkelsen C.J., Christensen E.H., Jensen K.T., Krusell L.R., Tang M., Terp K.A., Klaaborg K.-E., Greisen J.R., Nørgaard B.L., Andersen H.R. High-pressure balloon fracturing of small dysfunctional Mitroflow bioprostheses facilitates transcatheter aortic valve-in-valve implantation. EuroIntervention. 2017; 13(9): e1020–e1025. doi:10.4244/EIJ-D-17-00244

9. Johansen P., Engholt H., Tang M., Nybo R., Rasmussen P., Nielsen-Kudsk J.E. Fracturing mechanics before valve-in-valve therapy of small aortic bioprosthetic heart valves. EuroIntervention. 2017; 13(9): e1026–e1031. doi:10.4244/EIJ-D-17-00245

10. Allen K.B., Chhatriwalla A.K., Cohen D.J., Saxon J.T., Aggarwal S., Hart A., Baron S., Davis J.R., Pak A.F., Dvir D., Borkon A.M. Bioprosthetic Valve Fracture to Facilitate Transcatheter Valve-in-Valve Implantation. The Annals of Thoracic Surgery. 2017; 104(5): 1501–1508. doi:10.1016/j.athoracsur.2017.04.007

11. Simonato M., Palma J.H., Alirhayim Z., Guddeti R., Kaneko T., Garcia S. The Essential Aortic Valve-in-Valve Transcatheter Aortic Valve Replacement Update: Procedural Strategies and Current Clinical Results. Structural Heart. 2025; 9(3): 100318. doi:10.1016/j.shj.2024.100318

12. Chung V., Da-Yu Chang, Brian, S. Conklin, Grace Myong Kim, Louis A. Campbell, Donald E. Bobo Jr., Myron Howanec Jr., David S. Lin, Peng Norasing, Francis M. Tran, Mark Van Nest, Thomas H. Chien, Harvey H. Chen, Isidro L. Guerrero, Derrick Johnson, Paul A. Schmidt, inventor; Edwards lifesciences corporation, Irvine , assignee. One-piece heart valve stents adapted for post-implant expansion.

13. United States patent US 10,543,085 B2. 2020 Jan 28.

14. Schievano S., Capelli C., Cosentino D., Bosi G., Taylor A. Finite Element Analysis to Study Percutaneous Heart Valves. Finite Element Analysis - From Biomedical Applications to Industrial Developments. InTech; 2012. doi:10.5772/38701

15. Duczek S., Gabbert U. Fundamental Principles of the Finite Element Method. 2018. pp. 63–90. doi:10.1007/978-3-319-49715-0_4

16. 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

17. 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

18. Sirset-Becker T., Clark A., Flaherty J.D., Mehta C.K., Allen B.D., McCarthy P.M., Pham D.T., Churyla A., Dasi L.P., Malaisrie S.C. Modeling of valve-in-valve transcatheter aortic valve implantation after aortic root replacement using a 3-dimensional artificial intelligence algorithm. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2025; 169(6): 1684-1693.e3. doi:10.1016/j.jtcvs.2024.06.024

19. Kung E.O., Les A.S., Medina F., Wicker R.B., McConnell M. V., Taylor C.A. In vitro validation of finite-element model of AAA hemodynamics incorporating realistic outlet boundary conditions. Journal of biomechanical engineering. United States; 2011; 133(4): 41003. doi:10.1115/1.4003526