sibmedСибирский научный медицинский журналСибирский научный медицинский журнал2410-25122410-2520ИЦиГ СО РАН10.18699/SSMJ20240514sibmed-1713Research ArticleМЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИBIOMEDICINEО постановке численного моделирования протезов клапанов сердцаOn the setting up of numerical modeling of heart valve prostheseshttps://orcid.org/0000-0003-3211-1250КлышниковК. Ю.KlyshnikovK. Yu.

Клышников Кирилл Юрьевич, к.м.н

650002, г. Кемерово, б-р им. Академика Л.С. Барбараша, 6

Kirill Yu. Klyshnikov, candidate of medical sciences

650002, Kemerovo, Academika Barbarasha blvd., 6

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

Онищенко Павел Сергеевич

650002, г. Кемерово, б-р им. Академика Л.С. Барбараша, 6

Pavel S. Onishchenko

650002, Kemerovo, Academika Barbarasha blvd., 6

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

Глушкова Татьяна Владимировна, к.б.н.

650002, г. Кемерово, б-р им. Академика Л.С. Барбараша, 6

Tatyana V. Glushkova, candidate of biological sciences

650002, Kemerovo, Academika Barbarasha blvd., 6

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

Акентьева Татьяна Николаевна

650002, г. Кемерово, б-р им. Академика Л.С. Барбараша, 6

Tatyana N. Akentyeva

650002, Kemerovo, Academika Barbarasha blvd., 6

t.akentyeva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6099-0315КостюнинА. Е.KostyuninA. E.

Костюнин Александр Евгеньевич, к.б.н.

650002, г. Кемерово, б-р им. Академика Л.С. Барбараша, 6

Alexander E. Kostyunin, candidate of biological sciences

650002, Kemerovo, Academika Barbarasha blvd., 6

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

Резвова Мария Александровна

650002, г. Кемерово, б-р им. Академика Л.С. Барбараша, 6

Maria A. Rezvova

650002, Kemerovo, Academika Barbarasha blvd., 6

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

Овчаренко Евгений Андреевич, к.т.н.

650002, г. Кемерово, б-р им. Академика Л.С. Барбараша, 6

Evgeny A. Ovcharenko, candidate of technical sciences

650002, Kemerovo, Academika Barbarasha blvd., 6

ovchea@kemcardio.ruНИИ комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеванийРоссияResearch Institute for Complex Issues of Cardiovascular DiseasesRussian Federation202430102024445119128Copyright © Клышников К.Ю., Онищенко П.С., Глушкова Т.В., Акентьева Т.Н., Костюнин А.Е., Резвова М.А., Овчаренко Е.А., 20242024Клышников К.Ю., Онищенко П.С., Глушкова Т.В., Акентьева Т.Н., Костюнин А.Е., Резвова М.А., Овчаренко Е.А.Klyshnikov K.Y., Onishchenko P.S., Glushkova T.V., Akentyeva T.N., Kostyunin A.E., Rezvova M.A., Ovcharenko E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sibmed.elpub.ru/jour/article/view/1713

Цель работы – сравнение сценариев численного моделирования работы биопротезов клапана сердца, идентификация их преимуществ и ограничений. Материал и методы. Численное моделирование проводили в среде инженерного анализа Abaqus/CAE (Dassault Systèmes, Франция) в условиях имитации двух циклов работы створчатого аппарата. Всего исследовано три различных компьютерных модели, каждая из которых предоставляла разные уровни детализации и сложности биопротеза «ЮниЛайн». Модель № 1 была наиболее упрощенной и рассматривала только геометрию створки, модель № 2 имела упругие соединители с изменяемой жесткостью, модель № 3 включала композитный опорный каркас. Качественную валидацию результатов моделирования проводили при сравнении с натурными данными, полученными на гидродинамическом стенде (ViVitro Labs, Канада) при испытаниях клинической модели соответствующего биопротеза «ЮниЛайн». Результаты. Одна из постановок, модель № 2, продемонстрировала искусственную концентрацию напряжения по Мизесу в области крепления коннекторов, достигающую 2,695 МПа, что близко к пределу прочности биоматериала. Для других постановок обнаружено более умеренное распределение напряжения – до 0,803 и 0,529 МПа. При этом показано, что только модель № 2 и модель № 3 воспроизводят ключевой эффект работы биопротеза, подвижность комиссуральных стоек, за счет чего обеспечивают качественное совпадение с работой в стендовых условиях. Заключение. Предложена методика, которая может быть полезна для проведения дальнейших in silico исследо- ваний биопротезов клапанов сердца. Описаны граничные условия, методы связывания компонентов протеза и возможности для масштабных поисковых исследований на примере упрощенных моделей. Результаты работы подтверждают необходимость включения всех компонентов протеза в численный расчет для более полного и реалистичного представления его биомеханики. Такая детализация способствует более точной оценке безопасности и эффективности устройства, а также может служить основой для дальнейшей оптимизации устройства.

The aim of the study was to compare scenarios of numerical modeling of the operation of a heart valve bioprosthesis, identifying their advantages and limitations. Material and methods. Numerical modeling was conducted in the Abaqus/ CAE (Dassault Systèmes, France) engineering analysis environment, simulating two cycles of the valve apparatus’s operation. In total, three different computer models were studied, each providing different levels of detail and complexity of the “UniLine” bioprosthesis. Model No.1 was the most simplified and considered only the geometry of the flap; Model No. 2 incorporated elastic connectors with variable stiffness; Model No. 3 included a composite support frame. Qualitative validation of the modeling results was conducted by comparing with the bench tests data obtained on the hydrodynamic stand (ViVitro Labs, Canada) during tests of the corresponding clinical model of the “UniLine” bioprosthesis. Results. One of the setups, Model No. 2, displayed an artificial stress concentration according to Von Mises in the connector attachment area, reaching 2.695 MPa, which is close to the material’s strength limit. Other setups showed a more moderate stress distribution – up to 0.803 and 0.529 MPa. Moreover, it was demonstrated that only Model No. 2 and Model No. 3 reproduce the key effect of the bioprosthesis operation, the mobility of the commissural posts, ensuring a qualitative match with the work in bench conditions. Conclusions. A methodology is proposed that may be useful for conducting further in silico studies of heart valve bioprostheses. Boundary conditions, methods for linking prosthetic components, and opportunities for large-scale “exploratory” studies based on using simplified models are described. The study results confirm the necessity of including all prosthesis components in the numerical model for a more comprehensive and realistic representation of its biomechanics. Such detail contributes to a more accurate safety and effectiveness assessment of the device and can also serve as a foundation for its further optimization.

биопротез клапана сердцачисленное моделированиенапряженно-деформированное состояниеоптимизация медицинских протезовгидродинамический ударbioprosthetic heart valvenumerical modelingstress-strainoptimization of medical prostheseshydrodynamic loadРабота выполнена в рамках фундаментальной темы № 0419-2022-0001 «Молекулярные, клеточные и биомеханические механизмы патогенеза сердечно-сосудистых заболеваний в разработке новых методов лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы на основе персонифицированной фармакотерапии, внедрения малоинвазивных медицинских изделий, биоматериалов и тканеинженерных имплантатов».This work was carried out within the framework of the fundamental topic No. 0419-2022-0001 “Molecular, cellular and biomechanical mechanisms of the pathogenesis of cardiovascular diseases in the development of new methods of treatment of cardiovascular diseases based on personalized pharmacotherapy, the implementation of minimally invasive medical devices, biomaterials and tissue-engineered grafts”.ReferencesAbbasi M., Azadani A.N. A geometry optimization framework for transcatheter heart valve leaflet design. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2020;102:103491. doi: 10.1016/j.jmbbm.2019.103491Abbasi M., Azadani A.N. A geometry optimization framework for transcatheter heart valve leaflet design. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2020;102:103491. doi: 10.1016/j.jmbbm.2019.103491Dabiri Y., Ronsky J., Ali I., Basha A., Bhanji A., Narine K. Effects of leaflet design on transvalvular gradients of bioprosthetic heart valves. Cardiovasc. Eng. Technol. 2016;7(4):363–373. doi: 10.1007/s13239-016-0279-5Dabiri Y., Ronsky J., Ali I., Basha A., Bhanji A., Narine K. Effects of leaflet design on transvalvular gradients of bioprosthetic heart valves. Cardiovasc. Eng. Technol. 2016;7(4):363–373. doi: 10.1007/s13239-016-0279-5Li K., Sun W. Simulated transcatheter aortic valve deformation: A parametric study on the impact of leaflet geometry on valve peak stress. Int. J. Numer. Method. Biomed. Eng. 2017;33(3):e02814. doi: 10.1002/cnm.2814Li K., Sun W. Simulated transcatheter aortic valve deformation: A parametric study on the impact of leaflet geometry on valve peak stress. Int. J. Numer. Method. Biomed. Eng. 2017;33(3):e02814. doi: 10.1002/cnm.2814de Gaetano F., Bagnoli P., Zaffora A., Pandolfi A., Serrani M., Bruberrt J., Stasiak J., Moggridge G.D., Constantino M.L. A newly developed tri-leaflet polymeric heart valve prosthesis. J. Mech. Med. Biol. 2015;15(2):1540009. doi: 10.1142/S0219519415400096de Gaetano F., Bagnoli P., Zaffora A., Pandolfi A., Serrani M., Bruberrt J., Stasiak J., Moggridge G.D., Constantino M.L. A newly developed tri-leaflet polymeric heart valve prosthesis. J. Mech. Med. Biol. 2015;15(2):1540009. doi: 10.1142/S0219519415400096Глушкова Т.В., Овчаренко Е.А., Батранин А.В., Клышников К.Ю., Кудрявцева Ю.А., Барбараш Л.С. Клинический случай дисфункции биопротеза клапана сердца в трикуспидальнойпозиции у пациента дошкольного возраста: оценка вклада паннуса и кальцификации. Вестн. трансплантол. и искусств. органов. 2018;20(3):45– 53. doi: 10.15825/1995-1191-2018-3-45-53Glushkova T.V., Ovcharenko E.A., Batranin A.V., Klyshnikov K.Yu., Kudryavtseva Yu.A., Barbarash L.S. A case report of bioprosthetic valve dysfunction after tricuspid valve replacement in a preschool patient: the contribution of pannus and calcification. Vestnik transplantologii i iskusstvennykh organov = Russian Journal of Transplantology and Artificial Organs. 2018;20(3):45–53. [In Russian]. doi: 10.15825/1995-1191-2018-3-45-53Глушкова Т.В., Овчаренко Е.А., Рогулина Н.В., Клышников К.Ю., Кудрявцева Ю.А., Барбараш Л.С. Дисфункции эпоксиобработанных биопротезов клапанов сердца. Кардиология. 2019;59(10):49–59. doi: 10.18087/cardio.2019.10.n327Glushkova T.V., Ovcharenko E.A., Rogulina N.V., Klyshnikov K.Yu., Kudryavtseva Yu.A., Barbarash L.S. Dysfunction patterns of epoxy-treated tissue heart valves. Kardiologiya = Cardiology. 2019;59(10):49– 59. [In Russian]. doi: 10.18087/cardio.2019.10.n327Balu A., Nallagonda S., Xu F., Krishnamurthy A., Hsu M.C., Sarkar S. A deep learning framework for design and analysis of surgical bioprosthetic heart valves. Sci. Rep. 2019;9(1):18560. doi: 10.1038/s41598-019-54707-9Balu A., Nallagonda S., Xu F., Krishnamurthy A., Hsu M.C., Sarkar S. A deep learning framework for design and analysis of surgical bioprosthetic heart valves. Sci. Rep. 2019;9(1):18560. doi: 10.1038/s41598-019-54707-9Abbasi M., Qiu D., Behnam Y., Dvir D., Clary C., Azadani A.N. High resolution three-dimensional strain mapping of bioprosthetic heart valves using digital image correlation. J. Biomech. 2018;76:27– 34. doi: 10.1016/j.jbiomech.2018.05.020Abbasi M., Qiu D., Behnam Y., Dvir D., Clary C., Azadani A.N. High resolution three-dimensional strain mapping of bioprosthetic heart valves using digital image correlation. J. Biomech. 2018;76:27– 34. doi: 10.1016/j.jbiomech.2018.05.020Abbasi M., Barakat M.S., Vahidkhah K., Azadani A.N. Characterization of three-dimensional anisotropic heart valve tissue mechanical properties using inverse finite element analysis. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2016;62:33–44. doi: 10.1016/j.jmbbm.2016.04.031Abbasi M., Barakat M.S., Vahidkhah K., Azadani A.N. Characterization of three-dimensional anisotropic heart valve tissue mechanical properties using inverse finite element analysis. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2016;62:33–44. doi: 10.1016/j.jmbbm.2016.04.031Abbasi M., Barakat M., Dvir D., Azadani A. Detailed stress analysis of Edwards-SAPIEN and medtronic corevalve devices. Is leaflet stress comparable to surgical Carpentier–Edwards PERIMOUNT magna bioprosthesis? Struct. Hear. 2019;3(sup1):192– 192. doi: 10.1080/24748706.2019.1591103Abbasi M., Barakat M., Dvir D., Azadani A. Detailed stress analysis of Edwards-SAPIEN and medtronic corevalve devices. Is leaflet stress comparable to surgical Carpentier–Edwards PERIMOUNT magna bioprosthesis? Struct. Hear. 2019;3(sup1):192– 192. doi: 10.1080/24748706.2019.1591103Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Глушкова Т.В., Кудрявцева Ю.А., Барбараш Л.С. Метод неинвазивной оценки структуры биопротеза клапана сердца. Сиб. науч. мед. ж. 2022;42(4):87– 95. doi: 10.18699/SSMJ20220408Klyshnikov K.Yu., Ovcharenko E.A., Glushkova T.V., Kudryavtseva Yu.A., Barbarash L.S. Method for non-invasive assessment of the structure of a heart valve bioprosthesis. Sibirskij nauchnyj medicinskij zhurnal = Siberian Scientific Medical Journal. 2022;42(4):87–95. [In Russian]. doi: 10.18699/SSMJ20220408Mao W., Li K., Sun W. Fluid–structure interaction study of transcatheter aortic valve dynamics using smoothed particle hydrodynamics. Cardiovasc. Eng. Technol. 2016;7(4):374–388. doi: 10.1007/s13239-016-0285-7Mao W., Li K., Sun W. Fluid–structure interaction study of transcatheter aortic valve dynamics using smoothed particle hydrodynamics. Cardiovasc. Eng. Technol. 2016;7(4):374–388. doi: 10.1007/s13239-016-0285-7Zakerzadeh R., Hsu M.-C., Sacks M.S. Computational methods for the aortic heart valve and its replacements. Expert. Rev. Med. Devices. 2017;14(11):849– 866. doi: 10.1080/17434440.2017.1389274Zakerzadeh R., Hsu M.-C., Sacks M.S. Computational methods for the aortic heart valve and its replacements. Expert. Rev. Med. Devices. 2017;14(11):849– 866. doi: 10.1080/17434440.2017.1389274Hall J.E. Guyton and Hall: textbook of medical physiology. 12th ed. R. Gruliow Philadelphia: Elsevier Saunders, 2011. 1112 p.Hall J.E. Guyton and Hall: textbook of medical physiology. 12th ed. R. Gruliow Philadelphia: Elsevier Saunders, 2011. 1112 p.Онищенко П.С., Глушкова Т.В., Костюнин А.Е., Резвова М.А., Акентьева Т.Н., Барбараш Л.С. Компьютерные модели биоматериалов, применяемых для изготовления створчатого аппарата протезов клапанов сердца. Материаловедение. 2023;(7):30–39. doi: 10.31044/1684-579X-2023-0-7-30-39Onishchenko P.S., Glushkova T.V., Kostyunin A.E., Rezvova M.A., Akentyeva T.N., Barbarash L.S. Computer models of biomaterials used for the manufacture of flap apparatus of prosthetic heart valves. Materialovedenie= Materials Science. 2023;(7):30–39. [In Russian]. doi: 10.31044/1684-579X-2023-0-7-30-39Morganti S., Brambilla N., Petronio A.S., Reali A., Bedogni F., Auricchio F. Prediction of patient-specific post-operative outcomes of TAVI procedure: The impact of the positioning strategy on valve performance. J. Biomech. 2016;49(12):2513–2519. doi: 10.1016/j.jbiomech.2015.10.048Morganti S., Brambilla N., Petronio A.S., Reali A., Bedogni F., Auricchio F. Prediction of patient-specific post-operative outcomes of TAVI procedure: The impact of the positioning strategy on valve performance. J. Biomech. 2016;49(12):2513–2519. doi: 10.1016/j.jbiomech.2015.10.048Macron A., Pillet H., Doridam J., Rivals I., Sadeghinia M.J., Verney A., Rohan P.Y. Is a simplified finite element model of the gluteus region able to capture the mechanical response of the internal soft tissues under compression? Clin. Biomech. 2020;71:92–100. doi: 10.1016/j.clinbiomech.2019.10.005Macron A., Pillet H., Doridam J., Rivals I., Sadeghinia M.J., Verney A., Rohan P.Y. Is a simplified finite element model of the gluteus region able to capture the mechanical response of the internal soft tissues under compression? Clin. Biomech. 2020;71:92–100. doi: 10.1016/j.clinbiomech.2019.10.005Soares J.S., Feaver K.R., Zhang W., Kamensky D., Aggarwal A., Sacks M.S. Biomechanical behavior of bioprosthetic heart valve heterograft tissues: characterization, simulation, and performance. Cardiovasc. Eng. Technol. 2016;7(4):309–351. doi: 10.1007/s13239-016-0276-8Soares J.S., Feaver K.R., Zhang W., Kamensky D., Aggarwal A., Sacks M.S. Biomechanical behavior of bioprosthetic heart valve heterograft tissues: characterization, simulation, and performance. Cardiovasc. Eng. Technol. 2016;7(4):309–351. doi: 10.1007/s13239-016-0276-8Hsu M.C., Kamensky D., Xu F., Kiendl J., Wang C., Wu M.C.H., Mineroff J., Reali A., Bazilevs Y., Sacks M.S. Dynamic and fluid–structure interaction simulations of bioprosthetic heart valves using parametric design with T-splines and Fung-type material models. Comput. Mech. 2015;55(6):1211–1225. doi: 10.1007/s00466-015-1166-xHsu M.C., Kamensky D., Xu F., Kiendl J., Wang C., Wu M.C.H., Mineroff J., Reali A., Bazilevs Y., Sacks M.S. Dynamic and fluid–structure interaction simulations of bioprosthetic heart valves using parametric design with T-splines and Fung-type material models. Comput. Mech. 2015;55(6):1211–1225. doi: 10.1007/s00466-015-1166-xSerrani M., Brubert J., Stasiak J., de Gaetano F., Zaffora A., Costantino M.L., Moggridge G.D. A computational tool for the microstructure optimization of a polymeric heart valve prosthesis. J. Biomech. Eng. 2016;138(6):061001. doi: 10.1115/1.4033178Serrani M., Brubert J., Stasiak J., de Gaetano F., Zaffora A., Costantino M.L., Moggridge G.D. A computational tool for the microstructure optimization of a polymeric heart valve prosthesis. J. Biomech. Eng. 2016;138(6):061001. doi: 10.1115/1.4033178Abbasi M., Barakat M.S., Dvir D., Azadani A.N. A non-invasive material characterization framework for bioprosthetic heart valves. Ann. Biomed.Eng. 2019;47(1):97–112. doi: 10.1007/s10439-018-02129-5Abbasi M., Barakat M.S., Dvir D., Azadani A.N. A non-invasive material characterization framework for bioprosthetic heart valves. Ann. Biomed.Eng. 2019;47(1):97–112. doi: 10.1007/s10439-018-02129-5Martin C., Sun W. Comparison of transcatheter aortic valve and surgical bioprosthetic valve durability: A fatigue simulation study. J. Biomech. 2015;48(12):3026–3034. doi: 10.1016/j.jbiomech.2015.07.031Martin C., Sun W. Comparison of transcatheter aortic valve and surgical bioprosthetic valve durability: A fatigue simulation study. J. Biomech. 2015;48(12):3026–3034. doi: 10.1016/j.jbiomech.2015.07.031Vriesendorp M.D., de Lind van Wijngaarden R.A.F., Rao V., Moront M.G., Patel H.J., Sarnowski E., Vatanpour S., Klautz R.J.M. An in vitro comparison of internally versus externally mounted leaflets in surgical aortic bioprostheses. Interact. Cardiovasc. Thorac. Surg. 2020;30(3):417–423. doi: 10.1093/icvts/ivz277Vriesendorp M.D., de Lind van Wijngaarden R.A.F., Rao V., Moront M.G., Patel H.J., Sarnowski E., Vatanpour S., Klautz R.J.M. An in vitro comparison of internally versus externally mounted leaflets in surgical aortic bioprostheses. Interact. Cardiovasc. Thorac. Surg. 2020;30(3):417–423. doi: 10.1093/icvts/ivz277Martin C., Sun W. Simulation of long-term fatigue damage in bioprosthetic heart valves: effects of leaflet and stent elastic properties. Biomech. Model. Mechanobiol. 2014;13(4):759–770. doi: 10.1007/s10237-013-0532-xMartin C., Sun W. Simulation of long-term fatigue damage in bioprosthetic heart valves: effects of leaflet and stent elastic properties. Biomech. Model. Mechanobiol. 2014;13(4):759–770. doi: 10.1007/s10237-013-0532-xХаливопуло И.К., Евтушенко А.В., Шабалдин А.В., Трошкинев Н.М., Стасев А.Н., Кокорин С.Г., Барбараш Л.С. Сравнительный анализ результатов хирургического лечения дисфункции биологических протезов митрального клапана классическим методом и методом «протезв-протез» с использованием propensity score matching. Комплекс. пробл. серд.-сосуд. заболев. 2023;12(2):57–69. doi: 10.17802/2306-1278-2023-12-2-57-69Khalivopulo I.K., Evtushenko A.V., Shabaldin A.V., Troshkinev N.M., Stasev A.N., Kokorin S.G., Barba-rash L.S. Comparison of propensity scores for surgical treatment of bioprosthetic mitral valve dysfunction using traditional and “valve-in-valve” methods. Kompleksnye problemy serdechno-sosudistykh zabolevaniy = Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2023;12(2):57–69. [In Russian]. doi: 10.17802/2306-1278-2023-12-2-57-69

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