Пластика митрального клапана полоской из аутоперикарда. Конечно-элементное моделирование
Автор: Миронов А.А., Рязанов М.В., Кикеев В.А., Жильцов Д.Д.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 2 (104) т.28, 2024 года.
Бесплатный доступ
В настоящее время одним из методов лечения ишемической митральной недостаточности, приводящей к регургитации крови, является проведение операции аннулопластики. В медицинской практике распространение получили процедуры MitraClip и установка различного вида колец, обеспечивающих надежность, биосовместимость и высокую технологичность операции. В настоящей работе рассматривается модифицированная аннулопластика с использованием полоски перикарда. Общей проблемой проведения таких операций является прогнозирование их результатов в зависимости от параметров коррекции. Для решения данной задачи используется конечно-элементное моделирование. В рамках проведенного исследования разработана конечно-элементная модель митрального клапана в среде программного продукта LS - DYNA , позволяющая проводить имитацию пластики полоской перикарда. Модель построена с использованием элементов оболочки и включает створки клапана, фиброзное кольцо и хорды. Изменение усилий натяжения хорд и дилатация фиброзного кольца осуществляются соответственно наложением кинематических и силовых граничных условий, которые сохраняются и после проведения операции пластики. Полоска перикарда, пришиваемая к задней части фиброзного кольца, моделируется элементами гибкой нити с возможностью реализации предварительного натяжения. Механические свойства перикарда, использованные при проведении компьютерного моделирования, получены по результатам испытания образцов на растяжение. Представлены результаты вычислительного эксперимента влияния процедуры пластики полоской перикарда на восстановление кооптации створок клапана при наличии дилатации задней части фиброзного кольца. После коррекции по данным диагностики конкретного пациента модель может быть использована для выбора необходимых размеров полоски при проведении операции пластики митрального клапана.
Митральный клапан, ишемическая митральная регургитация, аннулопластика, конечно-элементное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/146282978
IDR: 146282978 | УДК: 531/534: | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.2.06
Mitral valve plastic surgery with an autopericardial stripe: finite element modeling
Currently, one of the methods of treatment of ischemic mitral insufficiency, leading to blood regurgitation, is annuloplasty surgery. In medical practice, MitraClip procedures and the installation of various types of rings have become widespread, ensuring reliability, biocompatibility and high manufacturability of the operation. In this paper, a modified annuloplasty using a pericardial strip is considered. A common problem of performing such operations is predicting their results depending on the correction parameters. Finite element modeling is used to solve this problem. As part of the study, a finite element model of the mitral valve was developed in the environment of the LS-DYNA software product, which allows for imitation of plastic surgery with a pericardial strip. The model is constructed using shell elements and includes valve flaps, a fibrous ring and chords. The change in the tension forces of the chords and the dilation of the fibrous ring are carried out respectively by the imposition of kinematic and force boundary conditions, which persist even after the plastic surgery. The pericardial strip, sewn to the back of the fibrous ring, is modeled by elements of a flexible thread with the possibility of pre-tensioning. The mechanical properties of the pericardium used in computer modeling were obtained from the results of tensile testing of samples. The results of a computational experiment of the effect of the pericardial strip plasty procedure on the restoration of valve leaf co-optation in the presence of dilation of the posterior part of the fibrous ring are presented. After correction according to the diagnostic data of a particular patient, the model can be used to select the necessary strip sizes during mitral valve repair surgery.
Список литературы Пластика митрального клапана полоской из аутоперикарда. Конечно-элементное моделирование
- Сабир, К. Использование анализа соответствий и лог-линейных моделей для исследования факторов, влияющих на сердечно-сосудистые заболевания / К. Сабир, А.Г. Кучумов, Т. Нгуен-Кван // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 1. - С. 74-86. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2023.1.07
- Catalano, C. On the Modeling of Transcatheter Therapies for the Aortic and Mitral Valves: A Review / C. Catalano, S. Pasta // Prosthesis. - 2022. - Vol. 4. - P. 102-112. DOI: 10.3390/prosthesis4010011
- Human cardiac function simulator for the optimal design of a novel annuloplasty ring with a sub-valvular element for correction of ischemic mitral regurgitation / B. Baillargeon, I. Costa, J.R. Leach, L.C. Lee, M. Genet, A. Toutain, J.F. Wenk, M.K. Rausch, N. Rebelo, G. Acevedo-Bolton, E. Kuhl, J.L. Navia, J.M. Guccione // Cardiovascular Engineering and Technology. - 2015. - Vol. 6, no. 2. - P. 105-116. DOI: 10.1007/s13239-015-0216-z
- An electromechanics-driven fluid dynamics model for the simulation of the whole human heart / A. Zingaro, M. Bucelli, R. Piersanti, F. Regazzoni, L. Dede', A. Quarteroni // Computational Engineering, Finance, and Science. - 2023. DOI: arxiv-2301.02148.
- Mitral valve dynamics in structural and fluid-structure interaction models / K.D. Lau, V. Diaz, P. Scambler, G. Burriesci // Medical Engineering and Physics. - 2010. -Vol. 32. - P. 1057-1064. DOI: 10.1016/j.medengphy.2010.07.008
- A finite element framework for high performance computer simulation of blood flow in the left ventricle of the human heart / J.H. Spuhler, J. Jansson, N. Jansson, J. Hoffman // Computational Science and Technology. - 2015. - Vol. 34.
- Modelling mitral valvular dynamics-current trend and future directions / H. Gao, N. Qi, L. Feng, X. Ma, M. Danton, C. Berry, X. Luo // International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering. - 2017. - Vol. 33, no. 10. D0I:10.1002/cnm.2858
- Fluid-structure interaction simulation of pathological mitral valve dynamics in a coupled mitral valve-left ventricle model / L. Cai, T. Zhao, Y. Wang, X. Luo, H. Gao // Intelligent Medicine. - 2023. - Vol. 3, no. 2. - P. 104-114. DOI: 10.1016/j.imed.2022.06.005
- Modeling mitral valve leaflets from three-dimensional ultrasound / R.J. Schneider, W.C. Burke, G.R. Marx, J. Pedro, R.D. Howe // Functional Imaging and Modeling of the Heart. - 2011. - P. 215-222. DOI: 10.1007/978-3-642-21028-0_27
- An integrated framework for finite-element modeling of mitral valve biomechanics from medical images: Application to mitralclip intervention planning / T. Mansi, I. Voigt, B. Georgescu, X. Zheng, E.A. Mengue, M. Hackl, R. Ionasec, T. Noack, J. Seeburger, D. Comaniciu // Medical Image Analysis. - 2012. - Vol. 16, no. 7. - P. 1330-1346. DOI: 10.1016/j.media.2012.05.009
- Шардаков, И.Н. Построение четырехкамерного геометрического образа сердца человека на основе рентгеновской томографии / И.Н. Шардаков, A.П. Шестаков // Российский журнал биомеханики. -2015. - Т. 19, № 4. - C. 372-384. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2015.4.04
- Alleau, T. Use of a parametric finite element model of the mitral valve to assess healthy and pathological valve behaviors / T. Alleau, L. Lanquetin, A.-V. Salsac // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. - 2019. - Vol. 22, no. 1. - P. 4-5. DOI:10.1080/10255842.2020.1713457
- Шмурак, М.И. Анализ гиперупругих моделей для описания поведения мягких тканей организма человека / М.И. Шмурак, А.Г. Кучумов, М.О. Воронова // Master's Journal. - 2017. - № 1. - С. 230-243.
- Weinberg E.J., Kaazempur Mofrad M.R. On the Constitutive Models for Heart Valve Leaflet Mechanics // International Journal Cardiovascular Engineering. - 2005. - Vol. 5. - P. 37-43. DOI: 10.1007/s10558-005-3072-x.
- May-Newman, K. A constitutive law for mitral valve tissue / K. May-Newman, F.C. Yin // Journal of Biomedical Engineering. - Vol. 120, no. 1. - P. 38-47. DOI: 10.1115/1.2834305
- On modelling and analysis of healthy and pathological human mitral valves: Two case studies / V. Prot, B.G. Skallerud, Sommer, G.A. Holzapfel // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2010. -Vol. 3, no. 2. - P. 167-177. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2009.05.004
- Pham, T. Material properties of aged human mitral valve leaflets / T. Pham, W. Sun // Journal of Biomedical Materials Research. - 2014. - Vol. 102, no. 8. - P. 2692-2703. DOI:10.1002/jbm.a.34939
- Gasser, T.C. Hyperelastic modeling of arterial layers with distributed collagen fibre orientations / T.C. Gasser, R.W. Ogden, G.A. Holzapfel // Journal of the Royal Society Interface. - 2006. - Vol. 3, no. 6. - P. 15-35. DOI:10.1098/rsif.2005.0073
- Dynamic finite element implementation of nonlinear, anisotropic hyperelastic biological membranes / D.R. Einstein, P.G. Reinhall, M.A. Nicosia, R.P. Cochran, K.S. Kunzelman // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. - 2003. - Vol. 6, no. 1. - P. 33-44. DOI:10.1080/1025584021000048983
- The relationship of normal and abnormal microstructural proliferation to the mitral valve closure sound / D.R. Einstein, K.S. Kunzelman, P.G. Reinhall, M.A. Nicosia, R.P. Cochran // Journal of Biomechanical Engineering. - 2005. - Vol. 127, no. 1. - P. 134-147. DOI: 10.1115/1.1835359
- Grande-Allenand, K.J. The heterogeneous biomechanics and mechanobiology of the mitral valve / K.J. Grande-Allenand, J. Liao // Implications for Tissue Engineering. Current Cardiology Reports. - 2011. - Vol. 13, no. 2. - P. 113-120. DOI: 10.1007/s11886-010-0161-2
- Alterations in human mitral valve mechanical properties secondary to left ventricular remodeling: A Biaxial Mechanical Study / P. Vandemaele, K. Vander Linden, S. Deferm, R. Jashari, F. Rega, P. Bertrand, P. Vandervoort, J. Vander Sloten, N. Famaey, H. Fehervary // Frontiers in. Cardiovascular Medicine. - 2022. - Vol. 9. -P. 1-16. DOI: 10.3 389/fcvm.2022. 876006
- Galili, L. Numerical biomechanics modelling of indirect mitral annuloplasty treatments for functional mitral regurgitation / L. Galili, A. White Zeira, G. Marom // R. Soc. Open Sci. - 2022. - Vol. 9. - P. 1-11. DOI: 10.1098/rsos.211464
- Characterization of biomechanical properties of aged human and ovine mitral valve chordae tendineae / K. Zuo, T. Pham, K. Li, C. Martin, Z. He, W. Sun // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2016. - Vol. 62. -P. 607-618. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2016.05.034
- Mechanical effects of MitraClip on leaflet stress and myocardial strain in functional mitral regurgitation - A finite element modeling study / Y. Zhang, V.Y. Wang, A.E. Morgan, J. Kim, M.D. Handschumacher, C.S. Moskowitz, R.A. Levine, L. Ge, J.M. Guccione, J.W. Weinsaft, M.B. Ratcliffe // Plos One. - 2019. - Vol. 14, no. 10. - P. 1-16. DOI: 10.1371/journal.pone.0223472.
- Finite element analysis of MitraClip procedure on a patient-specific model with functional mitral regurgitation / F. Kong, A. Caballero, R. McKay, W. Sun // Journal of Biomechanics. - 2020. - Vol. 104. - P. 109730. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2020.109730
- Choi, A. Computational virtual evaluation of the effect of annuloplasty ring shape / A. Choi, D.D. McPherson, H. Kim // International Journal for Numerical Methods in Biomedical. Engineerong - 2017. - Vol. 33, no. 6. - P. 1-22. DOI: 10.1002/cnm.2831
- Finite element analysis of annuloplasty and papillary muscle relocation on a patient-specific mitral regurgitation model / F. Kong, T. Pham, C. Martin, J. Elefteriades, R. McKay, C. Primiano, W. Sun // Plos One. - 2018. - Vol. 13, no. 6. - P. 1-15. DOI: 10.1371/journal.pone.0198331
- Modified mitral valve repair with its insufficiency of ischemic genesis / V.E. Vaykin, M.V. Ryazanov, D.D. Zhiltsov, S.A. Zhurko, A.B. Gamzaev, G.V. Bolshukhin, S.A. Fedorov, A.P. Medvedev // Modern Technologies in Medicine. - 2021. - Vol. 13, no. 2. - P. 5967. DOI: 10.17691/stm2021.13.2.07
- Котович, Д.С. Анатомия митрального клапанного аппарата в норме и при дилатационной кардиомиопатии / Д.С. Котович, И.Н. Стакан // Военная медицина. - 2010, № 2. - C. 58-61.
- Wenk, J.F. Finite element modeling of mitral leaflet tissue using a layered shell approximation / J.F. Wenk, M.B. Ratcliffe, J.M. Guccione // Medical and Biological Engineering and Computing. - 2012. - Vol. 50, no. 10. -P. 1071-1079. DOI: 10.1007/s11517-012-0952-2
- Овчаренко, Е.А. Биотехническая система бесшовной имплантации аортального клапана сердца. Дисс... кандидата Технических наук / Е.А. Овчаренко, - 35. Москва: Московский государственный технический университет имени Н.Э Баумана, 2016. - 184 с.
- Simulation of mitral valve plasticity in response to myocardial infarction / B.V. Rego, A.H. Khalighi, R.C. Gorman, M.S. Sacks // Ann. Biomed. Eng. - 2023. Vol. 51, no. 1. -P. 71-87. DOI: 10.1007/s10439-022-03043-7
- Finite element analysis of mitral valve annuloplasty in Barlow's disease / H.M. Aguilera, S. Urheim, R.M. Persson, 36. R. Haaverstad, B. Skallerud, V. Prot // Journal of Biomechanics. - 2022. - Vol. 142. - P. 111226. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2022.111226
- Biocompatible elastic polymer nanocomposites based on multiwalled carbon nanotubes for application in cardiovascular surgery / M.A. Rezvova, P.A. Nikishau, S.V. Kostyuk, M.I. Makarevich, P.S. Onishchenko, K.Y. Klyshnikov, T.V. Glushkova, A.E. Kostyunin, E.A. Ovcharenko // Complex Issues of Cardiovascular Diseases. - 2024. - Vol. 12, no. - P. 90-101. DOI: 10.17802/2306-1278-2023-12-4s-90-101
- Wang, Q. Finite element modeling of mitral valve dynamic deformation using patient-specific multi-slices computed tomography scans / Q. Wang, W. Sun // Annals of Biomedical Engineering. - 2013. - Vol. 41. - P. 142-153.
