Численная модель образования аневризмы сосудистого протеза

Обоснование. Исследование с помощью численного моделирования биомеханики имплантируемых медицинских изделий для сердечно-сосудистой хирургии является ценным инструментом для понимания глубинных механизмов клинических осложнений, возникающих при их применении.

Цель: описание и результаты применения численного метода моделирования аневризматического выбухания стенки сосудистого протеза на основе имитации деградации ее механических свойств.

Материал и методы. Моделирование осуществляли на примере трехмерной компьютерной модели, полученной путем высокоточного  томографического  сканирования  участка сосудистого  биопротеза  «КемАнгиоПротез»  (ЗАО «НеоКор», Россия). На основе полученной 3D-модели путем подключения специализированного скрипта в среде Abaqus/CAE (Dassault systemes, США) имитировали падение модуля упругости (от 100 до 10%) при возникновении запороговых напряжений в материале с накоплением пластической деформации.

Результаты. В ходе приложения 150 условных циклов давления показано, что модель реализует заложенный функционал и вызывает выбухание сосудистой стенки до 0,7 мм в радиальном направлении при значительной деградации механических свойств (на 90% относительно исходного модуля упругости) в результате длительного воздействия давлением. Пластическая деформация составила максимально 0,55%.

Заключение. Исследованный в настоящей работе метод моделирования деградации свойств сосудистой стенки продемонстрировал возможность качественной и количественной оценки областей патологического аневризмообразования численными инструментами. Метод позволяет визуализировать участки выбухания и способен стать ценным инструментом для дополнения существующих подходов к исследованию сосудистых протезов, особенно биологического происхождения.

1. Lin C.-H., Hsia K., Ma H., Lee H., Lu J.-H. In vivo performance of decellularized vascular grafts: a review article. Int. J. Mol. Sci. 2018;19(7):2101. DOI: 10.3390/ijms19072101.

2. Wertheimer S., Sharabi M., Shelah O., Lesman A., Haj-Ali R. Bio-composites reinforced with unique coral collagen fibers: Towards biomimetic-based small diameter vascular grafts. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2021;119:104526. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2021.104526.

3. Wilasrusmee C., Siribumrungwong B., Horsirimanont S., Poprom N., Jirasiritham J., Thakkinstian A. Clinical results of biologic prosthesis: A systematic review and meta-analysis of comparative studies. Ann. Med. Surg. 2017;15:26–33. DOI: 10.1016/j.amsu.2017.01.018.

4. Keane T.J., Londono R., Turner N.J., Badylak S.F. Consequences of ineffective decellularization of biologic scaffolds on the host response. Biomaterials. 2012;33(6):1771–1781. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2011.10.054.

5. Pashneh-Tala S., MacNeil S., Claeyssens F. The tissue-engineered vascular graft – past, present, and future. Tissue Eng. Part B. Rev. 2016;22(1):68–100. DOI: 10.1089/ten.teb.2015.0100.

6. Reza M.M.S., Arzani A. A critical comparison of different residence time measures in aneurysms. J. Biomech. 2019;88:122–129. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2019.03.028.

7. Meng H., Tutino V.M., Xiang J., Siddiqui A. High WSS or Low WSS? Complex interactions of hemodynamics with intracranial aneurysm initiation, growth, and rupture: toward a unifying hypothesis. Am. J. Neuroradiol. 2014;35(7):1254–1262. DOI: 10.3174/ajnr.A3558.

8. Li D., Ma J., Wei C., Zhao J., Yuan D., Zheng T. Hemodynamic analysis to assist treatment strategies in complex visceral arterial pathologies: Case reports and discussion from pancreaticoduodenal artery aneurysm with superior mesenteric artery occlusion. Ann. Vasc. Surg. 2019;59:308.e1–308.e8. DOI: 10.1016/j.avsg.2019.02.049.

9. Numata S., Itatani K., Kanda K., Doi K., Yamazaki S., Morimoto K. et al. Blood flow analysis of the aortic arch using computational fluid dynamics. Eur. J. Cardio-Thoracic Surg. 2016;49(6):1578–1585. DOI: 10.1093/ejcts/ezv459.

10. Roache P.J. Quantification of uncertainty in computational fluid dynamics. Annu. Rev. Fluid. Mech. 1997;29(1):123–160. DOI: 10.1146/annurev.fluid.29.1.123.

11. Saqr K.M., Rashad S., Tupin S., Niizuma K., Hassan T., Tominaga T. et al. What does computational fluid dynamics tell us about intracranial aneurysms? A meta-analysis and critical review. J. Cereb. Blood Flow Metab. 2020;40(5);1021–1039. DOI: 10.1177/0271678X19854640.

12. Sailer A.M.H., Wagemans B.A.J.M., Nelemans P.J., de Graaf R., van Zwam W.H. Diagnosing intracranial aneurysms with MR angiography. Stroke. 2014;45(1):119–126. DOI:10.1161/STROKEAHA.113.003133.

13. Watton P.N., Selimovic A., Raberger N.B., Huang P., Holzapfel G.A., Ventikos Y. Modelling evolution and the evolving mechanical environment of saccular cerebral aneurysms. Biomech. Model. Mechanobiol. 2011;10(1):109–132. DOI: 10.1007/s10237-010-0221-y.

14. Yadav P.N., Singh G., Gupta S., Chanda A. Biomechanical modeling of cerebral aneurysm progression to estimate rupture risk. Biomechanics. 2023;3(1):13–28. DOI: 10.3390/biomechanics3010002.

15. Cardamone L., Valentin A., Eberth J.F., Humphrey J.D. Modelling carotid artery adaptations to dynamic alterations in pressure and flow over the cardiac cycle. Math. Med. Biol. 2010;27(4):343–371. DOI: 10.1093/imammb/dqq001.

16. Takano Y., Koibuchi H. J-shaped stress-strain diagram of collagen fibers: Frame tension of triangulated surfaces with fixed boundaries. Phys. Rev. E. 2017;95(4):042411. DOI: 10.1103/PhysRevE.95.042411.

17. Dolgov V.Y., Klyshnikov K.Y., Ovcharenko E.A., Glushkova T.V., Batranin A.V., Agienko A.S. et al. Finite element analysis-based approach for prediction of aneurysm-prone arterial segments. J. Med. Biol. Eng. 2019;39(1):102–108. DOI: 10.1007/s40846-018-0422-x.

18. Клышников К.Ю., Резвова М.А., Овчаренко Е.А., Глушкова Т.В., Батранин А.В., Нуштаев Д.В. и др. Экспериментальное исследование армирующей конструкции протеза кровеносного сосуда на основе внутренней грудной артерии крупного рогатого скота. Биофизика. 2021;66(4):811–822. DOI: 10.31857/S0006302921040219.

19. Volokh K. Modeling aneurysm growth and failure. Procedia IUTAM. 2015;12:204–210. DOI: 10.1016/j.piutam.2014.12.022.

20. Selimovic A., Ventikos Y., Watton P.N. Modelling the evolution of cerebral aneurysms: Biomechanics, mechanobiology and multiscale modelling. Procedia IUTAM. 2014;10:396–409. DOI: 10.1016/j.piutam.2014.01.034.