cardiotomskСибирский журнал клинической и экспериментальной медициныSiberian Journal of Clinical and Experimental Medicine2713-29272713-265XTSU publishing10.29001/2073-8552-2024-39-3-181-187cardiotomsk-2446Research ArticleЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДДЕРЖКИ РЕШЕНИЙ В МЕДИЦИНЕDIGITAL TECHNOLOGIES FOR DECISION SUPPORT IN MEDICINEЧисленная модель опорного каркаса протеза клапана аортыNumerical model of the aortic valve prosthetic framehttps://orcid.org/0000-0003-3211-1250КлышниковК. Ю.KlyshnikovK. Yu.

Клышников Кирилл Юрьевич, канд. мед. наук, научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Kirill Yu. Klyshnikov, Cand. Sci. (Med.), Research Scientist

6, Academician Barbarash boulevard, Kemerovo, 650002

klyshku@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7477-3979ОвчаренкоЕ. А.OvcharenkoE. A.

Овчаренко Евгений Андреевич, канд. техн. наук, заведующий лабораторией

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Evgeny A. Ovcharenko, Cand. Sci. (Tech.), Head of the Laboratory

6, Academician Barbarash boulevard, Kemerovo, 650002

ovchea@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2404-2873ОнищенкоП. С.OnishchenkoP. S.

Онищенко Павел Сергеевич, младший научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Pavel S. Onishchenko, Junior Research Scientist

6, Academician Barbarash boulevard, Kemerovo, 650002

onisps@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4890-0393ГлушковаТ. В.GlushkovaT. V.

Глушкова Татьяна Владимировна, канд. биол. наук, старший научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Tatyana V. Glushkova, Cand. Sci. (Biol.), Senior Research Scientist

6, Academician Barbarash boulevard, Kemerovo, 650002

glushtv@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0033-9376АкентьеваТ. Н.AkentyevaT. N.

Акентьева Татьяна Николаевна, младший научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Tatyana N. Akentуeva, Junior Research Scientist

6, Academician Barbarash boulevard, Kemerovo, 650002

akentn@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6099-0315КостюнинА. Е.KostyuninA. E.

Костюнин Александр Евгеньевич, канд. биол. наук, научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Alexander E. Kostyunin, Cand. Sci. (Biol.)

6, Academician Barbarash boulevard, Kemerovo, 650002

kostae@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4405-8904РезвоваМ. А.RezvovaM. A.

Резвова Мария Александровна, младший научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Maria A. Rezvova, Junior Research   Scientist

6, Academician Barbarash boulevard, Kemerovo, 650002

 

rezma@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4642-3610БарбарашО. Л.BarbarashO. L.

Барбараш Ольга Леонидовна, д-р мед. наук, академик РАН, профессор, директор

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Olga L. Barbarash, Dr. Sci. (Med.), Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, Director 

6, Academician Barbarash boulevard, Kemerovo, 650002

palina@cardio.kem.ruНаучно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний (НИИ КПССЗ)РоссияResearch Institute for Complex Issues of Cardiovascular DiseasesRussian Federation202403102024393181187Copyright © Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Онищенко П.С., Глушкова Т.В., Акентьева Т.Н., Костюнин А.Е., Резвова М.А., Барбараш О.Л., 20242024Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Онищенко П.С., Глушкова Т.В., Акентьева Т.Н., Костюнин А.Е., Резвова М.А., Барбараш О.Л.Klyshnikov K.Y., Ovcharenko E.A., Onishchenko P.S., Glushkova T.V., Akentyeva T.N., Kostyunin A.E., Rezvova M.A., Barbarash O.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sibjcem.ru/jour/article/view/2446Цель исследования

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

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

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

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.

Aim

Aim: To perform a quantitative analysis of the effectiveness of three concepts of heart valve prosthesis support frames from the perspective of their safety under the most critical loads, conducted through numerical modeling.

Materials and Methods

Materials and Methods. The study utilized three computer-generated concepts of stent-like support frames, created based on the analysis of similar balloon-expandable prostheses. The modeling was conducted using Abaqus/CAE software and included the analysis of two key loads characteristic for this element: compression and implantation phases. A linear description of cobalt-chromium was used as the material model. The feasibility of the concepts was quantitatively assessed using von Mises stress and its qualitative distribution on the surface of the models as stress contours.

Results

Results. The analysis revealed that two of the three proposed models experienced stresses exceeding the strength limit (933 MPa) – 999.6 and 954.0 MPa during the compression phase and reaching 1022.4 and 1044.7 MPa, respectively, during the implantation phase. Concept 3 had significantly lower stresses during loading; however, in the working state, the indicators approached the threshold, reaching 924.2 MPa.

Conclusion

Conclusion. Numerical modeling identified the inefficacy of concepts 1 and 2 and directions for optimizing concept 3 – reducing amplitudes to form a “strength reserve” for stress. The analysis emphasized the importance of numerical modeling in the early assessment and optimization of medical devices.

протезирование клапана аортычисленное моделированиеметод конечных элементовстентнапряжение по Мизесуtranscatheter aortic valve replacementnumerical modelingfinite element methodstentvon Mises stressРезультаты получены при поддержке Российской Федерации в лице Министерства науки и высшего образования РФ в рамках Соглашения о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидий от 30 сентября 2022 г. № 075-15-2022-1202The study was supported by the Russian Federation, specifically the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, under the Agreement for providing grant funding in the form of subsidies from the federal budget, dated September 30, 2022, No. 075-15-2022- 1202ReferencesSalaun 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.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.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.Ganyukov V.I., Tarasov R.S., Vereshchagin I.E., Kochergin N.A., Stasev A.N., Nagirnyak O.A. et al. Transcatheter aortic valve implantation and open aortic surgery: comparative assessment of results. Eurasian heart journal. 2018;(4):4–18. (In Russ.). DOI: 10.38109/2225-1685-2018-4-4-18.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.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.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.Alekyan B.G., Grigoryan A.M., Staferov A.V., Karapetyan N.G. X-ray endovascular diagnosis and treatment of heart and vascular diseases in the Russian Federation – 2021. Russian Journal of Endovascular Surgery. 2022;9S:1–254. (In Russ.). DOI: 10.24183/2409-4080-2022-9S.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.Popova I.N., Sergeeva T.L. Import substitution in modern Russia: problems and prospects. Beneficium. 2022;2(43):73–84. (In Russ.). DOI: 10.34680/BENEFICIUM.2022;2(43):73-84.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.Onishchenko P.S., Glushkova T.V., Kostyunin A.E., Rezvova M.A., Barbarash L.S. Physico-mechanical characteristics of biomaterial flaps for numerical modeling problems. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 2022;9(12):1959–1966. (In Russ.). DOI: 10.21883/JTF.2022.12.53763.174-22.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.