Численное моделирование гемодинамики бескаркасного биопротеза клапана аорты

Численное моделирование гемодинамики бескаркасного биопротеза клапана аорты

Автор: Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Онищенко П.С., Стасев А.Н., Брель Н.К., Коков А.Н., Евтушенко А.В., Барбараш Л.С.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 3 (93) т.25, 2021 года.

Бесплатный доступ

Настоящее исследование описывает комплексный подход к моделированию биомеханики протеза клапана сердца на основе анализа медицинских графических данных (мультиспиральная компьютерная томография), твердотельного моделирования (Abaqus/CAE) и численного анализа потоков крови (OpenFOAM). Объектом исследования стал клинический случай пациента Д. (56 лет), которому хирургическим способом был имплантирован бескаркасный протез клапана аорты «ТиАра». Проводили реконструкцию трехмерных компьютерных моделей функционирования протеза в течение 10 отрезков одного сердечного цикла с последующей постановкой численных экспериментов, воспроизводящих перемещение ключевых точек изделия - комиссуральных стоек, створок. Была показана высокая асимметричная подвижность элементов биопротеза в ходе деформаций сердечного цикла - одна из комиссуральных стоек значительно более подвижна, чем две другие (до 32% по перемещению). Твердотельное моделирование деформации протеза не выявило значимых дефектов функционирования и превышения напряженно-деформированного состояния компонентов: максимум напряжения по Мизесу достигал 0,8 МПа. Распределение показателей напряжения на эпюрах трехмерных моделей выявило основную концентрацию в куполе и комиссуральных стойках створчатого аппарата. Кроме того, качественно работа створчатого аппарата соответствовала условиям функционирования - динамике изменения давлений в структуре сердечного цикла «систола-диастола», созданию контакта створок, и упруго-деформативным свойствам материалов компонентов протеза. Анализ результатов моделирования потоков определил наличие нескольких участков с турбулентной структурой в области синусов Вальсальвы, которые тем не менее не демонстрировали критических количественных характеристик - пристеночных сдвиговых напряжений (до 74 МПа), скоростей тока (0,1-1,0 м/с).

Еще

Бескаркасный биопротез клапана сердца

Короткий адрес: https://sciup.org/146282394

IDR: 146282394   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2021.3.06

Список литературы Численное моделирование гемодинамики бескаркасного биопротеза клапана аорты

  • Астапов Д.А., Караськов АМ., Исаян M.B., ^менова Е.И., Демидов Д.П., Опен А.Б. Протезирование аортального клапана бескаркасным биопротезом «Кемерово-АБ-Нео»: непосредственные результаты // Патология кровообращения и кардиохирургия. - 2012. - M 1. - C. 23-26.
  • Барбараш Л.С, Барбараш Н.А., Журавлева И.Ю. Биопротезы клапанов сердца: проблемы и перспективы. - Кемерово, 1995. - 400 с.
  • Демидов Д.П., Астапов Д.А., Богачев-Прокофьев А^., Железнев СИ. Клинические и гемодинамические результаты коррекции пороков аортального клапана у пожилых пациентов: бескаркасные и каркасные биологические протезы // Клиническая и экспериментальная хирургия. -2017. - Т. 5, M 2 (16). - C. 57-65.
  • Трегубов B.^, Жуков Н.К. Компьютерное моделирование потока крови при наличии сосудистых патологий // Российский журнал биомеханики. - 2017. - Т. 21, M 2. - C. 201-210.
  • Auricchio F., Conti M., Ferrara A., Morganti S., Reali A. Patient-specific simulation of a stentless aortic valve implant: the impact of fibres on leaflet performance // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. - 2014. - Vol. 17, no. 3. - P. 277-285.
  • Casa L.D.C., Deaton D.H., Ku D.N. Role of high shear rate in thrombosis // Journal of Vascular Surgery. -2015. - Vol. 61, no. 4. - P. 1068-1080.
  • Doost S.N., Ghista D., Su B., Zhong L., Morsi Y.S. Heart blood flow simulation: a perspective review // Biomedical Engineering Online. - 2016. - Vol. 15, no. 1. - P. 101.
  • Ferziger J. H., Peric M., Street R. L. Computational methods for fluid dynamics. - Berlin: Springer, 2002. -Vol. 3. - P. 196-200.
  • Flamini V., DeAnda A., Griffith B. E. Immersed boundary-finite element model of fluid-structure interaction in the aortic root // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. - 2016. - Vol. 30, no. 1-2. -P. 139-164.
  • Galea N., Piatti F., Sturla F., Weinsaft J.W., Lau C., Chirichilli I., Carbone I., Votta E., Catalano C., De Paulis R., Girardi L.N., Redaelli A., Gaudino M. Cornell international consortium for aortic surgery (CICAS). Novel insights by 4D flow imaging on aortic flow physiology after valve-sparing root replacement with or without neosinuses // Interact. Cardiovasc. Thorac. Surg. - 2018. - Vol. 26. -P. 957-964.
  • 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. - Vol. 16, no. 1. - P. 97-115.
  • Haddadi B., Jordan C., Harasek M. OpenFOAM® Basic Training. TU Wien, Vienna, Austria. 2018. 4th ed. Chapter 1.4.1, available at: http://cfd.at/sites/default/files/tutorialsV4/OFTutorialSeries.pdf
  • Harky A., Wong C.H., Hof A., Froghi S., Ahmad M.U., Howard C., Rimmer L., Bashir M. Stented versus stentless aortic valve replacement in patients with small aortic root: a systematic review and meta-analysis // Innovations. - 2018. - Vol. 13, no. 6. - P. 404-416.
  • Hasan A., Kolahdouz E.M., Enquobahrie A., Caranasos T.G., Vavalle J.P., Griffith B.E. Image-based immersed boundary model of the aortic root // Medical Engineering & Physics. - 2017. - Vol. 47. -P. 72-84.
  • Kataruka A., Otto C.M. Valve durability after transcatheter aortic valve implantation // Journal of Thoracic Disease. - 2018. - Vol. 10, Suppl. 30. - P. S3629.
  • Kirali K. Stentless bioprostheses for aortic valve replacement in calcific aortic stenosis // Calcific Aortic Valve Disease. - Rijeka: InTech, 2013.
  • Liu A., Nickerson A., Troyer A., Yin X., Cary R., Thornburg K., Wang R., Rugonyi S. Quantifying blood flow and wall shear stresses in the outflow tract of chick embryonic hearts // Computers & Structures. -2011. - Vol. 89, no. 11-12. - P. 855-867.
  • Lu D., Kassab G.S. Role of shear stress and stretch in vascular mechanobiology // Journal of the Royal Society Interface. - 2011. - Vol. 8, no. 63. - P. 1379-1385.
  • Martin C., Sun W. Simulation of long-term fatigue damage in bioprosthetic heart valves: effects of leaflet and stent elastic properties //Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. - 2014. - Vol. 13, no. 4. -P. 759-770.
  • Mathew R. C., Loffler A.I., Salerno M. Role of cardiac magnetic resonance imaging in valvular heart disease: diagnosis, assessment, and management // Current Cardiology Reports. - 2018. - Vol. 20, no. 11. -P. 119.
  • Ovcharenko E.A., Klyshnikov K.U., Yuzhalin A.E., Savrasov G.V., Glushkova T.V., Vasukov G.U., Nyshtaev D.V., Kudryavtseva Y.A., Barbarash, L. S. Comparison of xenopericardial patches of different origin and type of fixation implemented for TAVI // International Journal of Biomedical Engineering and Technology. - 2017. - Vol. 25, no. 1. - P. 44-59.
  • Ovcharenko E.A., Klyshnikov K.U., Savrasov G.V., Batranin A.V., Ganykov V.I., Kokov A.N., Nyshtaev D.V., Dolgov V.Y., Kudryavtseva Y.A., Barbarash L.S. Predicting the outcomes of transcatheter aortic valve prosthesis implantation based on the finite element analysis and microcomputer tomography data // Sovremennye tehnologii v medicine. - 2016. - Vol. 8, no. 1. - P. 82-92.
  • Ovcharenko E.A., Klyshnikov K.Y., Glushkova T.V., Nyshtaev D.V., Kudryavtseva Y.A., Savrasov G.V. Xenopericardial graft selection for valve apparatus of transcatheter heart valve bioprosthesis // Biomedical Engineering. - 2016. - Vol. 49, no. 5. - P. 253-257.
  • Schaefer A., Dickow J., Schoen G., Westhofen S., Kloss L., Al-Saydali T., Reichenspurner H., Philipp S.A., Detter C. Stentless vs. stented bioprosthesis for aortic valve replacement: a case matched comparison of long-term follow-up and subgroup analysis of patients with native valve endocarditis // PloS One. - 2018. -Vol. 13, no. 1. - P. e0191171.
  • Secomb T.W. Hemodynamics // Comprehensive Physiology. - 2011. - Vol. 6, no. 2. - P. 975-1003.
  • Smuts A.N., Blaine D.C., Scheffer C., Weich H., Doubell A.F., Dellimore K.H. Application of finite element analysis to the design of tissue leaflets for a percutaneous aortic valve // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2011. - Vol. 4, no. 1. - P. 85-98.
  • Soares J.S., Feaver K.R., Zhang W., Kamensky D., Aggarwal A., Sacks M.S. Biomechanical behavior of bioprosthetic heart valve heterograft tissues: Characterization, simulation, and performance // Cardiovascular Engineering and Technology. - 2016. - Vol. 7, no. 4. - P. 309-351.
  • Spuhler J.H., Jansson J., Jansson N., Hoffman J. 3D fluid-structure interaction simulation of aortic valves using a unified continuum ALE FEM model // Frontiers in Physiology. - 2018. - Vol. 9. - P. 363.
  • Stalder A.F., Frydrychowicz A., Russe M.F., Korvink J.G., Hennig J., Li K., Markl M. Assessment of flow instabilities in the healthy aorta using flow-sensitive MRI // Journal of Magnetic Resonance Imaging. -2011. - Vol. 33, no. 4. - P. 839-846.
  • Stein P. D., Sabbah H. N. Turbulent blood flow in the ascending aorta of humans with normal and diseased aortic valves // Circulation Research. - 1976. - Vol. 39, no. 1. - P. 58-65.
  • Stokes M. B., Roberts-Thomson R. The role of cardiac imaging in clinical practice //Australian prescriber. - 2017. - Vol. 40, no. 4. - P. 151.
  • Takaya H., Masuda S., Naganuma M., Yoshioka I., Takahashi G., Akiyama M., Adachi O., Kumagai K., Sugita S., Saiki Y. Morphometrical and biomechanical analyses of a stentless bioprosthetic valve: an implication to avoid potential primary tissue failure //General Thoracic and Cardiovascular Surgery. - 2018. - Vol. 66, no. 9. - P. 523-528.
  • Tasca G., Vismara R., Trinca F., Riva B., Gamba A., Lobiati E. Opening/closing pattern of Trifecta and Freestyle valves versus native aortic valve: Are stentless valves more physiologic than a stented valve? // Journal of Cardiac Surgery. - 2017. - Vol. 32, no. 11. - P. 680-685.
  • Toninato R., Salmon J., Susin F.M., Ducci A., Burriesci G. Physiological vortices in the sinuses of Valsalva: an in vitro approach for bio-prosthetic valves // Journal of Biomechanics. - 2016. - Vol. 49, no. 13. -P. 2635-2643.
  • 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. - 2014. - Vol. 17, no. 2. - P. 178-185.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp