Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 13
1.1. Эпидемиология аортального стеноза 13
1.2. Методы лечения аортального стеноза 16
1.3. Малоинвазивные способы лечения аортального стеноза 18
1.4. Анализ влияния конструктивных особенностей бесшовно имплантируемых протезов клапана аорты на клинические результаты 21
1.5. Дизайн протезов с бесшовным способом фиксации 24
Выводы по главе 1 32
ГЛАВА 2. Моделирование биологического компонента биотехнической системы 34
2.1. Исследование анатомии корня аорты человека 42
2.2. Исследование физико-механических свойств корня аорты человека 52
2.3. Верификация компьютерных моделей корня аорты человека и материала для их описания 56
Выводы по главе 2 61
ГЛАВА 3. Подходы к проектированию бесшовно-имплантируемых биопротезов клапана аорты 63
3.1. Выбор геометрических параметров ячейки протеза клапана аорты с бесшовным способом фиксации 63
3.2. Проектирование створчатого аппарата 80
3.2.1. Исследование способности биоматериала к сжатию 81 Стр.
3.2.2. Исследование створчатого аппарата методом конечных
элементов 94
3.2.3. Исследование гидродинамики створчатого аппарата тубулярного протеза 106
Выводы по главе 3 116
ГЛАВА 4. Моделирование имплантации биопротеза 118
4.1. Верификация моделирования имплантации биопротеза методом конечных элементов 118
4.2. Выбор дизайна каркаса биопротеза клапана аорты с бесшовным способом фиксации 137
4.3. Анализ функциональных характеристик биотехнической системы «протез-корень аорты» на основе выбранной модели бесшовно-имплантируемого протеза
4.3.1. Моделирование имплантации разработанного биопротеза методом конечных элементов 151
4.3.2. Исследование гидродинамической функции разработанного биопротеза 157
Выводы по главе 4 163
Выводы по работе 165
Список используемой литературы
- Анализ влияния конструктивных особенностей бесшовно имплантируемых протезов клапана аорты на клинические результаты
- Исследование физико-механических свойств корня аорты человека
- Исследование способности биоматериала к сжатию
- Анализ функциональных характеристик биотехнической системы «протез-корень аорты» на основе выбранной модели бесшовно-имплантируемого протеза
Введение к работе
Актуальность темы. Аортальный стеноз составляет 54% относительно всех клапанных патологий (Iung B., 2003), и 2,5% в структуре общей заболеваемости населения (d'Arcy J.L., 2011). С момента обнаружения первых симптомов приблизительно 50% больных с тяжелым аортальным стенозом без оперативного вмешательства погибают в течение двух лет (Otto C.M., 2000). Хирургическая коррекция, в частности протезирование клапана, демонстрирует удовлетворительные отдаленные результаты, однако в среднем около 33% пациентов не подвергаются оперативному вмешательству ввиду тяжести исходного состояния и высокого риска периоперационной летальности (Iung B., 2005). В качестве альтернативы для пациентов с аортальным стенозом высокого риска возник новый метод малоинвазивной бесшовной имплантации протеза клапана аорты (Cribier A., 2002). Впоследствии появилось множество подобных устройств, предназначенных для имплантации: как транскатетерным, так и прямым хирургическим способом. Несмотря на преимущества данного подхода, он сопряжен с риском возникновения опасных осложнений, обусловленным особенностями конструкции каркаса протеза: гемодинамически значимая регургитация (Stahli B.E., 2013), атриовентрикулярная блокада (Piazza N., 2008), а также осложнения, требующие экстренного хирургического вмешательства – дислокация протеза, перекрытие устьев коронарных артерий, расслоение и разрыв аорты (Eggebrecht H, 2013). Существующие клинические результаты обуславливают дальнейшее совершенствование и создание новых биопротезов с бесшовным способом фиксации, однако описание системного подхода в разработке подобных устройств не представлено в литературных данных.
Степень разработанности темы. Общие подходы к выбору топологии
стентов, а также анализ влияния параметров балки ячейки на биомеханическое
поведение конечной конструкции представлены в современной литературе
(Auricchio F., 1996; Takashima K., 2007). Кроме того, существуют отдельные
работы, посвященные изучению функциональных свойств стентоподобных
каркасов биопротезов с бесшовным способом фиксации: радиальных сил
(Tzamtzis S., 2013) и сил трения (Mummert J., 2013), тем не менее, вопрос о выборе
конкретной конечной геометрии протеза остается открытым ввиду
неограниченного количества сочетаний конструктивных элементов и их размеров.
Другим важным конструктивным компонентом протеза является
створчатый аппарат, геометрия которого оказывает существенное влияние, как на срок работы изделия, так и на его функцию, определяющую ближайшую и долгосрочную выживаемость реципиентов (Cox J.L., 2005). В этой связи, в процессе разработке подобных медицинских устройств большое внимание уделяют дизайну створчатого аппарата, однако в различных исследованиях данные об оптимальной геометрии существенно расходятся. В частности, в современных работах, основанных на методе конечных элементов (МКЭ), приведены различные соотношения для оптимального створчатого аппарата, в связи с чем, нельзя полагаться на какое-то определенное соотношение базовых параметров (Smuts A.N., 2011; Rahmani B., 2012; Syedain Z.H., 2013). Помимо
геометрии, на гидродинамические характеристики согласно клиническим данным существенное влияние оказывает деформация створчатого аппарата при имплантации, однако исследования степени данного влияния в изолированной оценке слабо представлены в литературе (Schultz C.J., 2009; Li K., 2010).
Не менее важной является и проблема выбора самого биоматериала для створок. Свиной перикард за счет существенно меньшей толщины используют в большинстве конструкций транскатетерных биопротезов, поскольку способность створчатого аппарата к сжатию является одним из лимитирующих факторов диаметра доставочной системы. Тем не менее, согласно современным исследованиям перикард крупного рогатого скота также подходит для малоинвазивных клапанов с позиции морфологии, тромбогенности и физико-механических характеристик (Gauvin R., 2013). Таким образом, вопрос выбора типа перикарда остается открытым ввиду отсутствия исследований в сравнительном аспекте способности биоматериала к сжатию в доставочную систему (Gauvin R., 2013).
Для анализа работы разрабатываемого устройства недостаточно
изолированной оценки функционирования створчатого аппарата и каркаса
биопротеза с бесшовным способом фиксации, ввиду их взаимного влияния.
Жесткая зависимость силы трения, радиальной силы каркаса и
гидродинамических показателей биопротеза от балансного диаметра требует комплексного анализа работы устройства как части биотехнической системы (БТС) «биопротез – корень аорты». Данный подход подчеркивает необходимость тщательного изучения биологического объекта и его моделирования. В этой связи нельзя не отметить ограниченность представления моделей корня аорты на основе статистического анализа свойств материала и геометрических параметров для МКЭ в литературе, ввиду преобладания «пациент-специфического» подхода в моделирования МКЭ (Morganti S, 2014).
Все вышеизложенное, отсутствие в клинической практике биопротеза клапана аорты с бесшовным способом фиксации, не обладающего характерными выраженными осложнениями, а также отсутствие описания системных подходов к проектированию подобных медицинских устройств позволило сформулировать цель диссертационного исследования.
Цель исследования: разработать протез клапана аорты с бесшовным способом фиксации, предназначенный для хирургического и транссосудистого способа имплантации.
Для достижения поставленной цели исследования решались следующие задачи:
-
Построить компьютерные модели, состоящие из конечных элементов, на основании исследования анатомии и физико-механических свойств корня аорты человека.
-
Определить зависимость функциональных характеристик каркаса протеза клапана аорты с бесшовным способом имплантации от пространственной конфигурации и основных геометрических параметров стентовой конструкции.
-
Обосновать оптимальные параметры и предельно-допустимые геометрические условия функционирования тубулярного створчатого аппарата
биопротеза на основе консервированного ксеноперикардиального лоскута.
-
Реконструировать и верифицировать биотехническую систему «биопротез с бесшовным способом фиксации – корень аорты».
-
Обосновать выбор конечной конструкции биопротеза с бесшовным способом фиксации.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами:
-
Впервые с позиции системного подхода и на основании теории биотехнических систем представлен метод моделирования протеза клапана аорты с бесшовным способом фиксации.
-
Предложены обобщенные модели корня аорты человека, основанные на статистическом анализе его геометрических параметров и физико-механических свойств, позволяющие моделировать методом конечных элементов контактное взаимодействие биопротеза с бесшовным способом фиксации.
-
Получены основные зависимости функциональных характеристик протеза клапана аорты с бесшовным способом имплантации от параметров базовых элементов каркаса.
-
Экспериментально установлена зависимость гидродинамических характеристик и напряженно-деформируемое состояние створчатого аппарата от несоразмерности корня аорты.
Теоретическая и практическая значимость работы
Получены биомеханические модели корня аорты на основе конечных элементов, которые могут быть использованы при разработке бесшовно-имплантируемых протезов клапана аорты нового поколения.
Разработан принципиальный подход к моделированию бесшовной имплантации протезов клапана аорты, предназначенный для оценки качества имплантации различных устройств и техник.
Разработана конструкция биопротеза клапана аорты с бесшовным способом имплантации.
Разработанные технологии внедрены в экспериментальную
производственную практику ЗАО «НеоКор» (Россия).
Методология и методы исследования. Проведенное экспериментальное
исследование включало в себя комплексную оценку разработанной
биотехнической системы «биопротез – корень аорты» in silico и in vitro способами с использованием численных и физических методов. Эксперименты in silico были выполнены на основе твердотельного моделирования МКЭ с использованием нелинейных и специализированных моделей материалов. Эксперименты in vitro проводили в установке пульсирующего потока.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Метод моделирования бесшовной имплантации аортального клапана на
основе обобщенных конечно-элементных моделей корня аорты человека,
позволяющий моделировать контактное взаимодействие компонентов
биотехнической системы.
2. Параметры стентовой ячейки и пространственной конфигурации каркаса
протеза, обеспечивающие минимально необходимые условия бесшовной
фиксации с учетом состояния и особенностей тканей корня аорты человека.
3. Зависимость функционирования тубулярного створчатого аппарата
биопротеза, предназначенного для бесшовной имплантации, от параметров
исходной геометрии, свойств биоматериала и деформации каркаса протеза.
4. Конструкция протеза клапана аорты с бесшовным способом фиксации,
состоящая из каркаса на основе сверхэластичного никелида титана и
ксеноперикардиального тубулярного створчатого аппарата, обеспечивающая
сжатие в катетер до 6 мм.
Степень достоверности результатов проведенных исследований
Достоверность полученных в работе результатов и выводов обеспечена использованием статистических методов исследования, апробированного способа численного моделирования МКЭ с верификацией постановочных задач, а также сравнением результатов с экспериментальными и литературными данными.
Апробация материалов диссертации и публикации
Материалы диссертации доложены на:
-
4-ом Съезде кардиологов Сибирского федерального округа «Сердечно-сосудистые заболевания: от первичной профилактики до высоких технологий в повседневной практике». Кемерово, 2011;
-
Конференции «Актуальные проблемы лабораторной диагностики и биотехнологии». Кемерово, 2012;
3. «3-ей Ежегодной научной сессии молодых ученых Кузбасса Наука-
Практике». Кемерово, 2013;
-
Международной конференции «Теории оболочек и мембран в механике и биологии: от макро- до наноразмерных структур». Минск (Беларусь), 2013;
-
Международном форуме «Инженерные системы-2014». Москва, 2014;
-
Конференции «XIX Ежегодная сессия ФГБНУ НЦССХ им. А.Н. Бакулева». Москва, 2015;
7. «17-ой научно-технической конференции «МЕДТЕХ-2015» Медико-
технические технологии на страже здоровья». пос. Партенит (Крым), 2015.
Апробация работы проведена на научном семинаре факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им Н. Э. Баумана, на заседании Ученого Совета ФГБНУ «НИИ КПССЗ».
Результаты диссертационного исследования отражены в 26 научных работах, в том числе 11 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук, общим объемом 6,65 п.л.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов. Работа изложена на 182 страницах текста, содержит 9 таблиц, 10 формул и 106 рисунков. Указатель используемой литературы содержит 158 источников.
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении исследования, определении цели и задач, выборе необходимых методов для их решения. Анализ данных литературы по теме диссертации, проведение исследований, обработка и интерпретация полученных данных, написание диссертации выполнены лично автором.
Анализ влияния конструктивных особенностей бесшовно имплантируемых протезов клапана аорты на клинические результаты
Биопротез Sapien представляет собой створчатый аппарат, изготовленный из консервированного бычьего перикарда, монтированный на баллоно расширяемом стентоподобном опорном каркасе из кобальт-хромового сплава. Имплантацию биопротеза осуществляют в интра-аннулярную позицию с помощью трансфеморальной и трансапикальной баллонорасширяемых доставочной системы. Соответствующая успешность имплантации достигает 95,2% и 92,7% [143]. Уровень 30-дневной госпитальной летальности, соответственно, составляет 10,3% и 6,3%, годовой – 17,9% и 18,9% [143]. К наиболее распространенным постоперационными осложнениям относят атриовентрикулярную блокаду, требующую имплантации кардиостимулятора в 2,3–5% случаев, инсульт 2,3–5% [97, 110]. Показатели данных осложнений схожи с результатами протезирования в открытой хирургии и их можно считать неспецифическими [59, 104]. Специфическими для биопротеза Sapien следует считать тяжелые послеоперационные осложнения, связанные с трансфеморальным доступом, в 16,4% случаев, с учетом малых сосудистых осложнений достигающих 27,9% [97].
Альтернативный подход в отношении механизма бесшовной фиксации реализован в биопротезе CoreValve за счет самораскрывающегося каркаса клапана из сверхэластичного сплава никелида титана (нитинола), имеющего стентоподобную конструкцию. Створчатый аппарат данного протеза выполнен из консервированного свиного перикарда. Существуют четыре основных типоразмера клапана: диаметром 23, 26, 29 и 31 мм, соответствующих диаметру ФК в диапазоне 18-29 мм. Современное (третье) поколение биопротеза CoreValve, имплантируют в супра-аннулярную позицию, основная фиксация происходит в области ФК за счет распирающего усилия, создаваемого каркасом клапана. Для улучшения гемодинамики биопротеза и предотвращения паравальвулярной регургитации приточный отдел также обшит свиным перикардом. Результаты применения именно III поколения CoreValve наиболее широко освещены в литературе. Успешность выполнения имплантации биопротеза CoreValve по разным оценкам достигает 90,5–98 % [109, 146]. Показатель 30-дневной летальности составляет 7–11,9%, а полугодовой и годовой – 32% [55, 109, 111, 146, 148]. Связанные с доступом тяжелые сосудистые осложнения встречаются в 4 % случаев [150]. Частота послеоперационных инсультов варьирует от 1,9 % до 4 % [109, 110]. Характерным клиническим осложнением данного протеза можно считать высокую частоту развития атриовентрикулярной блокады, требующей имплантации кардиостимулятора, по различным оценкам составляющей 9,3–33% [101, 102]. Патогенез возникновения блокады в данном случае до конца не изучен, но, вероятнее всего, основным фактором является длительная компрессия левой ножки пучка Гиса. Каркас биопротеза CoreValve значительно протяженнее каркаса биопротеза Sapien в приточной части - края каркаса фиксируются в выводном отделе левого желудочка. При этом стентовая конструкция никелид титанового каркаса создает постоянное распирающее усилие и высокие радиальные усилия в приточной части [95]. С целью снижения риска данного осложнения в отдельных исследованиях рекомендуют имплантацию протеза таким образом, чтобы его проксимальный край располагался не ниже 5,5 (± 3,4) мм относительно ФК [33]. Таким образом, логично предполагать, что оптимальная длина ячейки каркаса составляет приблизительно 10 мм при совпадении центра ячейки с ФК.
Другой класс специфических для биопротеза CoreValve осложнений связан с функциональными нарушениями гидродинамики протеза. Известно, что в 32% случаев ФК аортального клапана имеет не круглое, а овальное или треугольное сечение [152]. Для таких анатомических вариантов геометрия имплантированного самораскрывающегося клапана представляет собой конечное балансное состояние, ограниченное, с одной стороны, действием распирающих сил самого каркаса, а с другой – ассиметричным сопротивлением кальцинированного нативного створчатого аппарата и неправильной геометрией корня аорты. Так, в исследовании, проведенном Schultz C.J. с соавторами, ни у одного из обследованных пациентов (N=30) ни один имплантированный биопротез не сохранял «идеальной» цилиндрической пространственной конфигурации. В большинстве случаев биопротез в сечении имел овальную форму со средней разностью эллиптических диаметров в 2,3 мм [70]. Клинические результаты имплантации CoreValve подтверждают корреляцию эксцентриситета геометрии со значительной паравальвулярной регургитацией: эксцентриситет e 0,25 является самостоятельным предиктором данного осложнения. [118]. Таким образом, несмотря на удовлетворительные гемодинамические и функциональные результаты через 6 месяцев после имплантации биопротеза CoreValve (транспротезный градиент составляет 3–8 мм рт. ст.), только у трети (28,9 %) пациентов в послеоперационном периоде не отмечено трансклапанной регургитации [55, 109, 111]. У 51,2 % выявлена регургитация I степени и у 18,2% – II степени [11].
Общим для транскатетерного способа имплантации серьезным осложнением является возможность дислокации протеза, включающая возможное перекрытие устьев коронарных артерий [60, 63, 145]. Несмотря на относительно низкую встречаемость, данный класс осложнений сопряжен с высоким риском летальности и требует немедленного экстренного хирургического вмешательства, либо имплантации второго устройства по типу «valve-in-valve» [60, 63, 145].
Таким образом, совокупность клинических результатов [19] и возможных осложнений транскатетерных биопротезов первого поколения определила дальнейшее совершенствование малоинвазивного направления: разработку новых устройств и техник имплантации. Задача создания нового медицинского устройства, лишенного подобных недостатков, является актуальной, поскольку, несмотря на многообразие существующих конструкций, не существует протеза, являющегося «золотым стандартом» для малоинвазивного лечения аортального стеноза.
С момента первой имплантации самораскрывающегося биопротеза клапана аорты CoreValve в 2004 году сменилось три поколения конструкций каркаса. С одной стороны, успешная клиническая апробация данного клапана, с другой – существующие недостатки детерминировали разработку новых устройств следующего поколения на базе данной технологии в попытке создать «идеальный» протез. Несмотря на многообразие существующих конструкций бесшовно-имплантируемых протезов, большинство из них изготовлено на основе одного материала и имеет единый принцип фиксации в аорте, а также схожий принцип построения (Рис. 1.6).
Исследование физико-механических свойств корня аорты человека
Сравнение результатов МСКТ с аналогичными зарубежными исследованиями также показало различие в данных. В исследовании Tops L.F. с соавторами ФК имело овальную форму, однако средний показатель большого диастолического диаметра ФК составил 26,3 ± 2,8 мм, малого – 23,5 ± 2,7 мм, что на 3,4% и 24,3%, соответственно, больше полученных в настоящей работе результатов [94]. Среднее расстояние от ФК до устьев коронарных артерий в том же исследовании составило: для правой коронарной артерии 17,2 ± 3,3 мм, для левой – 14,4 ± 2,9 мм, что на 7% и 5,3%, соответственно, меньше результатов полученных в настоящей работе. Данные расхождения в результатах работ, предположительно, могут быть обусловлены анатомическими особенностями популяции исследованных пациентов.
Исследование динамики геометрических характеристик в различные фазы сердечного цикла показало, что форма корня аорты приближается к цилиндрической в систолу и к трапециевидной - в диастолу, что в целом согласуется с данными аналогичных исследований [15, 73]. Регрессионный анализ показал приближающееся к статистически значимому (р=0,057) увеличение большего диаметра эллипса ФК на 6,4% в систолу относительно размера ФК в диастолу. Аналогичный показатель для малого диаметра эллипса ФК составил 12,4% (p 0,05).
В отличие от ФК, аксиальное сечение СТС имело округлую форму как в систолу, так и в диастолу (Таблица 2), с увеличением диаметра СТС в систолу на 9,2% (p 0,05) по отношению к диастоле.
Динамическое изменение расстояния ФК-СТС наблюдали для всех коронарных створок. Однако статистически значимые различия были получены только для левой коронарной створки (Lлкс): данный показатель увеличивался в диастолу на 10,7% (p 0,05). Диастолическое увеличение расстояния ФК-СТС правой коронарной створки (Lпкс) приближалось к статистически значимому – 8,7% (р=0,064). Расстояния от устья левой и правой коронарной артерии до ФК не изменялись в зависимости от фазы сердечного цикла (р=0,13 и р=0,39, соответственно). На основании совокупного анализа результатов ЭхоКГ и МСКТА исследований с помощью САПР были построены четыре трехмерные модели корня аорты человека с диаметром ФК = 19, 21, 23 и 25 мм. Построение трехмерных моделей осуществляли в САПР UGS NX 7.0 (Siemens, Германия). В основу моделей легли показатели, полученные методом ЭхоКГ в диастолу: диаметр ФК, диаметр СТС и расстояние ФК-СТС, с соответствующей группировкой Таблица 1) . На основании полученных данных осуществляли построение опорных элементов ФК и СТС. Дополнительные параметры, полученные методом МСКТА в диастолу (глубина синусов, расстояние от ФК до коронарных артерий, угол раструба восходящего отдела аорты (Таблица 2), были использованы при построении опорных элементов синусов Вальсальвы. Объединение данных опорных элементов ФК, СТС и синусов Вальсальвы поверхностями второго порядка позволило получить пространственную конфигурацию расположения и размеров элементов корня аорты в зависимости от диаметра ФК (Рис. 2.5).
ГСВ – глубина синуса Вальсальвы. В модели не учитывали эллиптическую форму ФК, поскольку данное уточнение существенно усложняет построение самой модели, и удорожает стоимость расчета при последующем моделировании МКЭ ввиду невозможности использования части объемного тела, соблюдая условие симметрии. В тоже время, при выборе типоразмера транскатетерного искусственного клапана сердца рекомендуется использовать средний диаметр ФК [144], в связи с чем, было произведено усреднение показателя малого и большого эллиптического диаметра ФК. Следует отметить, что представленные модели содержат конструктивное ограничение – отсутствие створчатого аппарата, что несколько сужает возможности их применения при симуляции гидродинамических экспериментов. Несмотря на данные ограничения, полученные модели обладают рядом преимуществ в сравнении с описанными в литературе аналогами, которые, как правило, содержат упрощенную геометрию, построенную по средним показателям, приводимым без подробного статистического анализа [49, 72]. Кроме того, известные модели, как правило, не группируют по типоразмерам, соответствующим применяемым медицинским изделиям, что также можно считать существенным ограничением в рамках разработки новых биопротезов клапана аорты [72].
Исследование способности биоматериала к сжатию
Подобное поведение можно объяснить высокой механической жесткостью биоматериала, что также может быть проиллюстрировано результатами исследования свиного перикардиального лоскута, обработанному ГА (образец D). Несмотря на то, что данная модель обладала наибольшим потенциалом к сжатию (в контакте находилось лишь 14,5 % площади всей поверхности), по достижении целевого диаметра минимальный показатель главного напряжения по модулю составил 5,04 МПа, что с одной стороны составляет лишь третью часть предела прочности, с другой, сопоставимо со значением большинства экспериментов, в частности – свиного ДЭЭ перикарда (F). Однако, в последнем случае, было отмечено превышение предела прочности по минимальному показателю главного напряжения (-6,91 МПа), таким образом, значение конечного диаметра образца, можно рассматривать как пороговое, поскольку на предыдущем шаге моделирования (диаметр 5,27 мм) не происходило превышение данного предела. Наименьшее напряженно-деформированное состояние из всех исследуемых моделей продемонстрировал свиной перикард с консервацией ГА – образец E, аналогичный показатель которого не превышал 1 МПа, при этом главная логарифмическая деформация составила 0,32 м/м.
Эксперимент на сжатие продемонстрировал преимущество свиного перикардиального лоскута перед лоскутом КРС, что в целом подтверждает результаты аналогичных исследований [27]. В тоже время, при сравнении способов консервации наибольшим потенциалом для использования в транскатетерных протезах обладал ксеноперикард с ГА способом консервации. Несмотря на то, что ГА образцы свиного перикарда имели существенные различия на микроструктурном уровне и различные механические характеристики, в целом их результаты в данном эксперименте были схожи.
Настоящее исследование подтверждает преимущество свиного ксеноперикарда для использования в качестве створчатого аппарата транскатетерных биопротезов [7, 155]. Однако полученные результаты показывают, что специфика механических свойств связана не только с видовой принадлежностью биоматериала, но и с его обработкой: выбором консерванта и условиями консервации. Проведенный анализ демонстрирует преимущества ГА способа консервации свиных перикардиальных лоскутов, однако различные механические свойства исследуемых образцов, являющиеся следствием выпрямления коллагеновых волокон, требует проведения дальнейших исследований, в частности исследования циклостойкости. 3.2.2. Исследование створчатого аппарата методом конечных элементов
Исследование первых каркасных биопротезов продемонстрировало повышенную механическую нагрузку на биоматериал в эксперименте на долговечность, что являлось одной из причин последующей кальцификации створок и их дисфункции [154]. Кроме того, наличие жесткого каркаса приводило к формированию нефизиологичного потока и избыточному транспротезному градиенту, обуславливающему дальнейшую гипертрофию левого желудочка и низкую долгосрочную выживаемость [86]. Данные осложнения наглядно продемонстрировали необходимость оптимизации геометрии створчатого аппарата. Современные исследования, на базе МКЭ, демонстрируют оптимальную геометрию створок, однако в различных источниках данные расходятся. Так Smuts A.N. с соавторами [39] основываясь на параметризованной математической модели с последующим расчетом МКЭ приводит соотношение высоты створчатого аппарата ксеноперикардиального протеза к его диаметру 13:19, аналогичное соотношение 14:21 приведено и в исследовании геометрии полимерного клапана Rahmani B [89]. Однако, в исследовании Syedain Z. H. с соавторами выбран тубулярный тканеинженерный протез с соотношением 20:22 [147], что в целом близко к биопротезу 3F Enable (Medtronic, Inc., США). В тоже время, при разработке бесшовно-имплантируемого биопротеза нельзя ограничиваться только искусственным компонентом БТС, согласно клиническому опыту необходимо учитывать несоразмерность корня аорты [75, 77], а также его эллиптическую форму [70, 118]. Вышеперечисленные факты: отсутствие единого дизайна створчатого аппарата и непредсказуемость его поведения в случае транскатетерной имплантации легли в основу дизайна настоящего исследования.
Построение моделей тубулярного створчатого аппарата, было выполнено с использованием САПР UGS NX 8.0 (Siemens, Германия). В исследование были включены 6 моделей, состоящих из трех симметричных лепестков ксеноперикарда (в соответствии с технологией изготовления подобных биопротезов [148]), с различным соотношением высоты створчатого аппарата к его диаметру (H/D) в диапазоне 5:10–10:10 при фиксированном диаметре основания 20 мм (Рис. 3.21).
Для данных конечно элементных моделей на основе исследования сжатия биоматериала были выбраны две нелинейные изотропные модели материала свиного лоскута с ГА способом консервации: «Vascutek» (Vascutek Terumo, Великобритания) (образец D) и экспериментальный перикардиальный лоскут (образец E) (Рис. 3.19). Все эксперименты были выполнены в инженерном комплексе ABAQUS/CAE (Dassault Systems, Франция) на основе кубических (с ребром равным толщине моделируемого перикарда) конечных элементов C3D8I-типа. На основе симметрии, МКЭ моделирование в задачах проводили только для одной из трех створок.
Анализ функциональных характеристик биотехнической системы «протез-корень аорты» на основе выбранной модели бесшовно-имплантируемого протеза
Для наиболее полного моделирования процесса имплантации, предварительно проводили симуляцию баллонной дилатации кальцинированного створчатого аппарата с использованием дополнительного баллона, представляющего собой поверхность, аналогичную по свойствам баллону для данной процедуры: толщина стенки 0,15 мм, модель Юнга 290 МПа, коэффициент Пуассона v = 0,3. Нагрузку баллона осуществляли номинальным давлением 0,2 МПа (2 атм.). После полного раскрытия баллона, снижали давление до 0 МПа. Полученную таким образом геометрию створчатого аппарата, кальцинатов и корня аорты использовали для дальнейшего взаимодействия с опорным каркасом протеза Core Valve.
В настоящем исследовании модель БТС была представлена рядом компонентов, объединенных через контактное взаимодействие с различной степенью жесткости (Рис. 4.8).
Модель исследуемой биотехнической системы Компоненты системы согласно степени детализации БТС условно были разделены на два класса: «основные» и «дополнительные». Исходная энергия БТС была определена набором следующих сил, воздействующих на компоненты извне: сила, возникающая в результате раздувания/сжатия баллона (до имплантации); сила, затраченная на кримпирование каркаса до 6 мм (до имплантации); сила стягивания катетера в момент имплантации, а также гидростатическое давление крови. С целью стабилизации динамической составляющей компонентов системы и их контактов, после взаимодействия протеза с корнем аорты был добавлен искусственный компонент вязкоэластического демпфирования, энергетический вклад которого не превышал 0,8% от общей энергии системы.
Для моделирования взаимодействия всех элементов системы использовали попарное смягченное («penalty») описание контакта с коэффициентом трения ц = 0,2 [28]. Взаимодействие «баллон - опорный каркас» происходило без трения и возможности взаимного проникновения тел («hard» контакт). В экспериментах со створчатым аппаратом, последний был связан с аортой через геометрический контакт сеток с жестко заданным расстоянием между узлами («tie» контакт). С целью препятствия взаимному проникновению конечных элементов каркаса превентивно был использован « self» контакт. Моделирование взаимодействия компонентов БТС с помощью МКЭ было выполнено в виде ряда последовательных действий: предварительная баллона дилатация – сжатие каркаса в катетер – извлечение каркаса из катетера (Рис. 4.9).
С целью изучения влияния уровня детализации БТС (введение дополнительных компонентов системы) на точность моделирования, были воспроизведены различные экспериментальные постановки: с обобщенным описанием модели материала аорты (psa1 ), с раздельным описанием (psa2 ); с включением модели створчатого аппарата с описанием материала по литературным данным в нормальном состоянии (psa 1 ), в патологическом – с использованием свойств кальцинированной ткани (psa 2 ), а также с исключением створок из модели (psa 3 ); с наличием (psa 1), и без таковых (psa 2) (Таблица 8).
Дополнительно, в качестве сравнения было проведено моделирование имплантации в генерализированную модель корня аорты соответствующего типоразмера (ga000). С целью уменьшения количества комбинаций пациент-специфического подхода (psa ) отбор экспериментов был выполнен на основе поэтапного повышения детализации БТС: сравнение psa132 и psa232, далее psa212, psa222, psa232, и в заключении psa221 против psa222.
С целью оценки точности результатов эксперимента относительно данных МСКТ пациента с имплантированным биопротезом, было разработано собственное программное обеспечение в среде MATLAB R2014a (The MathWorks, США). В качестве входных данных были использованы массивы точек соответствующих центру балки, полученных в 11 ортогональных срезах каркаса обеспечения реализовывал поиск центральной оси и предварительную минимизацию ошибки поворота всех срезов относительно друг друга. Далее программа автоматически анализировала каждый в отдельности скорректированный срез на поиск минимального расстояния между соответствующими точками – ошибку моделирования (). Исходя из радиальной координаты в цилиндрической системе координат, программа вычисляла относительную ошибку (rel), также рассчитывала суммарную ошибку (sum) по всем 11 срезам, и среднее значение ошибки в каждом срезе (Рис. 4.10). Дополнительно программа производила аппроксимацию массива данных моделирования МКЭ каноническим уравнением эллипса, с последующим расчетом малого и большого радиусов, эксцентриситета и площади эллипса.