Концепция автоматической разработки полимерного протеза клапана сердца
Автор: Клышников К.Ю., Онищенко П.С., Глушкова Т.В., Костюнин А.Е., Акентьева Т.Н., Борисова Н.Н., Овчаренко Е.А.
Журнал: Сибирский журнал клинической и экспериментальной медицины @cardiotomsk
Рубрика: Цифровые технологии в медицине и здравоохранении
Статья в выпуске: 3 т.40, 2025 года.
Бесплатный доступ
Цель исследования: апробация автоматизированного алгоритма проектирования створчатого аппарата полимерного протеза клапана сердца, нацеленного на обеспечение высоких гидродинамических показателей протеза, на примере проектирования, прототипирования и in vitro тестирования. Материал и методы. В работе использован собственный автоматизированный алгоритм проектирования, основанный на компьютерном моделировании и численном анализе гидродинамических характеристик створок протеза клапана сердца in silico. Алгоритм позволил генерировать множество (более 16 тыс.) вариантов геометрии створок, которые затем оценивали с точки зрения их функциональности – площади открытия, запирания и возникающего в материале напряжения. По итогам работы алгоритма проектирования выбрана оптимальная геометрия створки, которая была прототипирована в виде трех образцов с использованием 3D-печати и методики отливки. Полученные прототипы исследовали in vitro в установке гидродинамического тестирования в условиях имитации физиологического потока. Результаты. Полученные результаты работы алгоритма геометрии створчатого аппарата продемонстрировали разнообразие количественных характеристик по целевым показателям: среднее значение площади открытия составило 38,85% (минимум 7,54%; максимум 85,78%); площадь запирания – 1,08% (0–1,88%); максимальное напряжение – 0,47 МПа (0,25–1,43 МПа). Оптимальная геометрия створки, которую выбрали для прототипирования, имела площадь открытия 85,75%; запирания – 0,45%; напряжения – 1,023 МПа. Прототипирование и последующее тестирование подтвердили высокую функциональность разработанного образца, хотя были выявлены значительные отклонения количественных характеристик от результатов численного моделирования. Эти отклонения указывают на необходимость дальнейшей доработки алгоритма и улучшения методологии прототипирования. Заключение. Исследование подтвердило эффективность предложенного автоматизированного алгоритма для разработки и оптимизации полимерных протезов клапанов сердца. Основным преимуществом методики является возможность быстрого создания и анализа большого количества геометрических вариантов, что способствует повышению точности и функциональности конечного изделия. Полученные результаты указывают на значительные перспективы использования автоматизированного проектирования в биомедицинской инженерии и открывают новые пути для создания более совершенных медицинских изделий. В будущем необходимо сосредоточиться на улучшении точности численных моделей и методов прототипирования, чтобы обеспечить еще более высокое качество и долговечность полимерных протезов клапанов сердца.
Протез клапана сердца, полимерный протез, численное моделирование, метод конечных элементов, гидродинамика, оптимизация геометрии, автоматизированное проектирование
Короткий адрес: https://sciup.org/149149312
IDR: 149149312 | УДК: 616.126.3-77:691.175 | DOI: 10.29001/2073-8552-2025-40-3-225-234
Concept of automatic development of polymer heart valve prosthesis
Aim: To validate an automated design algorithm for the leaflet apparatus of a polymeric heart valve prosthesis, focusing on achieving high hydrodynamic performance through design, prototyping, and in vitro testing. Material and Methods. The study employs a proprietary automated design algorithm based on computational modeling and numerical analysis of the hydrodynamic characteristics of heart valve prosthesis leaflets in computational modeling. The algorithm generated a large number of geometrical variants (over 16,000), which were subsequently evaluated for their functionality, including the effective orifice area, coaptation area, and stress distribution within the leaflet material. Based on the design algorithm's output, the optimal leaflet geometry was selected and prototyped using casting techniques to produce three samples. These prototypes were evaluated in vitro under simulated physiological flow conditions using a hydrodynamic testing system. Results. The geometries produced by the design algorithm exhibited a wide range of quantitative metrics for the targets: the mean effective orifice area was 38.85% (minimum 7.54%; maximum 85.78%); the coaptation area was 1.08% (0–1.88%); and the maximum stress was 0.47 MPa (0.25–1.43 MPa). The optimal leaflet geometry selected for prototyping demonstrated an effective orifice area of 85.75%, a coaptation area of 0.45%, and a maximum stress of 1.023 MPa. Prototyping and subsequent in vitro testing confirmed the high functional performance of the developed sample, although significant deviations in quantitative indicators from the results of numerical modeling were observed due to the specifics of prototyping. These discrepancies indicate the need for further refinement of the algorithm and improvements in the prototyping methodology. Conclusion. The study confirms the effectiveness of the proposed automated algorithm for the development and optimization of polymeric heart valve prostheses. The primary advantage of this methodology lies in its ability to rapidly generate and evaluate a large number of geometrical variants, thereby enhancing the accuracy and functionality of the final product. The results demonstrate the significant potential of automated design in biomedical engineering and pave the way for the development of more advanced medical devices. Future efforts should focus on improving the accuracy of numerical models and prototyping techniques to ensure even higher quality and durability of polymeric heart valve prostheses.
