Численная модель опорного каркаса протеза клапана аорты

Цель исследования: количественный анализ эффективности трех концептов опорных каркасов протеза клапана сердца с позиции их безопасности при наиболее критических нагрузках, проведенный в условиях численного моделирования.

Материал и методы. В работе использовали три компьютерных концепта стентоподобных опорных каркасов, созданных на основе анализа схожих баллонорасширяемых протезов. Моделирование выполнено в программе Abaqus/CAE, и включало анализ двух ключевых нагрузок, характерных для данного элемента: этапа сжатия и имплантации. В качестве модели материала использовали линейное описание кобальт-хрома, в качестве количественного критерия состоятельности концептов – напряжение по Мизесу и его качественное распределение на поверхности моделей в виде эпюр.

Результаты. Анализ показал, что в двух из трех предложенных моделей возникают напряжения, превышающие предел прочности (933 МПа), – 999,6 и 954,0 МПа на этапе сжатия, достигающие 1022,4 и 1044,7 МПа соответственно на этапе имплантации. Концепт 3 обладал значительно меньшими напряжениями в ходе сжатия, однако в рабочем состоянии показатели приближались к пороговым, достигая 924,2 МПа.

Заключение. Численное моделирование выявило неэффективность концептов 1 и 2 и направления для оптимизации концепта 3 – снижение амплитуд для формирования «запаса прочности» напряжения. Анализ подчеркнул важность численного моделирования в ранней оценке и оптимизации медицинских изделий.

1. Salaun E., Pibarot P., Rodés-Cabau J. Transcatheter aortic valve replacement: Procedure and outcomes. Cardiology Clinics. 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. и др. 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. J. Geriatr. Cardiol. 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;9S: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. Schultz C., Rodriguez-Olivares R., Bosmans J., Lefèvre T., De Santis G., Bruining N. et al. 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. 2016;11(9):1044–1052. DOI: 10.4244/EIJV11I9A212.

8. Rocatello G., El Faquir N., De Santis G., Iannaccone F., Bosmans J., De Backer O. et al. 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. Circ. Cardiovasc. Interv. 2018;11(2):e005344. DOI: 10.1161/CIRCINTERVENTIONS.117.005344.

9. 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. Ann. Biomed. Eng. 2014;42(9):1989–2001. DOI: 10.1007/s10439-014-1051-3.

10. Russ C., Hopf R., Hirsch S., Sundermann S., Falk V., Szekely G. et al. Simulation of transcatheter aortic valve implantation under consideration of leaflet calcification. Annu. Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. 2013;2013:711–714. DOI: 10.1109/EMBC.2013.6609599.

11. 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. Comput. Methods Biomech. Biomed. Engin. 2016;19(7):733–744. DOI: 10.1080/10255842.2015.1058928.

12. Marrey R., Baillargeon B., Dreher M.L., Weaver J.D., Nagaraja S., Rebelo N. et al. Validating fatigue safety factor calculation methods for cardiovascular stents. J. Biomech. Eng. 2018;140(6):061001. DOI: 10.1115/1.4039173.

13. 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). Med. Eng. Phys. 2013;35(1):125–130. DOI: 10.1016/j.medengphy.2012.04.009.

14. 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.

15. Nappi F., Mazzocchi L., Spadaccio C., Attias D., Timofeva I., Macron L. et al. CoreValve vs. Sapien 3 Transcatheter aortic valve replacement: A finite element analysis study. Bioengineering. 2021;8(5):52. DOI: 10.3390/bioengineering8050052.

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. J. Med. Bio. Eng. 2019;39(2):171–172. DOI: 10.1007/s40846-018-0428-4.

18. Sturla F., Ronzoni M., Vitali M., Dimasi A., Vismara R., Preston-Maher G. et al. Impact of different aortic valve calcification patterns on the outcome of transcatheter aortic valve implantation: A finite element study. J. Biomech. 2016;49(12):2520–2530. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2016.03.036.

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). Med. Eng. Phys. 2013;35(1):125–130. DOI: 10.1016/j.medengphy.2012.04.009.