Отзыв ведущей организации (Биотехническая система бесшовной имплантации аортального клапана сердца)

«УТВЕРЖДА1О» Директор ФГБУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В,ИаИХ~ЙВицва» Минздрава России ОТЗЫВ ВЕДУЩЕЙ ОРГАНИЗАЦИИ на диссертацию Овчаренко Евгения Андреевича «Биотехническая система бесшовной имплантации аортального клапана сердца»„представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальностям 05.11.17 — Приборы, системы и изделия медицинского назначения, 01.02.08 — Биомеханика.

Актуальность темы диссертации Распространенность поражений аортального клапана занимает третье место в структуре сердечно-сосудистых заболеваний, . уступая лишь ишемической болезни сердца и артериальной гипертензии. Не смотря на то, что общее количество протезирований клапана аорты в России каждый год увеличивается„общий показатель не превышает 2% от общемировой статистики, при этом наименее доступными являются малоин вази нные протезы, представленные исключительно зарубежными производителями. Кроме того, даже современные искусственные клапаны сердца со сниженной травматичн остью нельзя назвать совершенными ввиду наличия ряда 1 специфических осложнений и ограниченного клинического опыта их использования — в особенности малоизученными остаются отдаленные результаты.

В связи с этим, проблема создания новых малоинвазивных био протезов с бесшовным способом имплантации представляет собой актуальную задачу. Г'лавным препятствием в разработке новых искусственных клапанов сердца с бесшовным способом фиксации является отсутствие базовых принципов проектирования их дизайна. В отличие от классических каркасных биопротезов, данный тип медицинских устройств является существенно более пациент-зависимым: надежность бесшовной фиксации определена как анатомическими особенностями аорты, так и свойствами окружающих тканей. При этом каркас протеза, деформируемый в результате контактного взаимодействия, влияет и на конфигурацию створчатого аппарата, что существенно усложняет процедуру разработки клапана, и его тестирования. Также следует учитывать, что в случае задачи использования транскатетерных систем имплантации необходимо добиваться наименьшего диаметра катетера, в результате чего подобные устройства вынуждены подвергаться однократной критической деформации.

Перспективным подходом к разработке устройств нового поколения, направленным на минимизацию клинических осложнений, следует считать использование системного подхода теории биотехнических систем, основываясь на котором можно более точно определить необходимые конструктивные параметры биопротеза, создающие оптимальный баланс сил, и обеспечивающие оптимальные гидродинамические показатели. Однако, на сегодняшний день, в литературе не существует описания подобного подхода.

Структура и содержание работы Диссертация состоит из введения„четырех глав, выводов по работе и списка литературы. Во введении обоснована актуальность работы, представлена степень разработанности темы диссертации, определены цель и задачи, раскрыта теоретическая и практическая значимость работы, методология и методы исследования, сформулирована научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. Первая глава содержит обзор проблемы аортального стеноза, включая эпидемиологию, этиологию и существующие способы лечения данного заболевания: консервативные, радикальные и малоинвазивные подходы.

Описаны используемые в клинической практике малоинвазивные протезы клапана аорты, способы их имплантации, а также возможные осложнения данного метода. Ьолее подробно описана обобщенная принципиальная конструкция данных медицинских устройств и технология их изготовления, сформулированы основные требования, предъявляемые к малоинвазивным протезам клапана аорты. Вторая глава содержит описание биотехнической системы «биопротез — корень аорты». Показано, что состояние биотехнической системы, определяется балансным диаметром, зависящим как от конструктивно заданной радиальной жесткости биопротеза, так и от анатомии и состояния тканей аорты.

Таким образом, ключевая роль в разработке искусственных клапанов аорты с бесшовным способом фиксации должна уделяться доскональному изучению биомеханики биологического объекта. Изучение анатомии корня аорты в статике и динамике было выполнено методами эхокардиографии и мультиспиральной компьютерной томографии, по результатам которых с использованием статистического анализа и средств автоматизированного проектирования были построены соответствующие трехмерные модели.

Исследование механических свойств тканей аорты было выполнено методом одноосного растяжения с использованием трупного материала. Полученные результаты легли в биомеханические модели на основе конечных элементов, верификация которых была выполнена исходя из полученных данных динамики корня аорты в цикле сердечного сокращения, а также литературных данных. Третья глава посвящена проектированию структурных элементов биопротезов с бесшовным способом фиксации.

Автором выполнено исследование радиальной жесткости и напряженно-деформированного состояния ячеек каркаса протеза в зависимости от базовых параметров балки стента. В результате экспериментальных и компьютерных исследований с использованием метода конечных элементов определенны оптимальные параметры конструкции опорного каркаса транскатетерного протеза клапана аорты. Выбран наиболее подходящий для транскатетерного применения биологический материал исходя из результатов исследования механических свойств, гистологии, толщины и способности к сжатию (компьютерное моделирование) ксеноперикардиальных лоскутов.

Приведены результаты исследования влияния конфигурации створчатого аппарата (биопротезов с бесшовной фиксацией на основе тубулярного дизайна) на его напряженно- деформированное состояние в различные фазы сердечного цикла, выполненного на основе квази-динамического анализа методом конечных элементов. Методами компьютерного анализа, а также с использованием моделирования потока крови в установке пульсирующего потока выполнено исследование влияния балансного диаметра биотехнической системы на гидродинамические показатели биопротеза, экспериментальным путем определены границы допустимой несоразмерности и эллиптичности.

Четвертая глава описывает проблему моделирования в численном эксперименте контактного взаимодействия биопротеза с бес шовным способом фиксации и корня аорты. Автором представлен метод моделирования имплантации транскатетерного биопротеза на основе метода конечных элементов, с использованием клинических данных имплантации клапана СогечаЬе ~Мейгошс 1пс., США) выполнена верификация представленного метода. Данное исследование выполнено с использованием современных средств визуализации — мультиспиральной компьютерной 4 томографии и микрокомпьютерной томографии. По результатам настоящего исследования было показано, что точность моделирования главным образом определяется способом описания материала, в меньшей степени детализацией кальции ированных патологических структур и пати вного створчатого аппарата.

Относительно высокая сходи мость результатов моделирования с клиническими данными позволила использовать представленный метод моделирования на основе обобщенных моделей корня аорты в задаче разработки конечной модели биопротеза клапана аорты с бесшовным способом фиксации. На основе проведенного исследования модификации дизайна каркаса протеза клапана аорты с бесшовным способом фиксации показано, что помимо базовых параметров стентового каркаса на состояние биотехнической системы также влияет и его общая пространственная конфигурация. На основании совокупности исследуемых параметров был определен наиболее удачный дизайн каркаса протеза, обеспечивающий распределенное пятно контакта с корнем аорты, и тем самым снижая напряжение последнего.

Также автором приведено описание моделирования выбранной конструкции биопротеза с учетом створчатого аппарата искусственного клапана. По результатам исследования модель конструкции биопротеза в сборе продемонстрировала возможность сжатия в катетер целевого диаметра, при этом напряженно-деформированное состояние биотехнической системы не превышало соответствующих порогов прочности, сила дислокации каркаса не превышала силу трения вне зависимости от состояния тканей аорты.

Эксперименты были верифицированы на основе тестов радиального сжатия и сжатия параллельными плитами изготовленного прототипа каркаса. На основе представленного в работе дизайна был изготовлен прототип бесшовно-имплантируемого биопротеза, с использованием которого было выполнено исследование гидродинамических показателей физической модели биотехнической системы. В качестве контроля были использованы 5 гидродинамические показатели протеза клапана аорты бесшовным способом фиксации «ЗР ЕпаЫе». По результатам исследования были получены несущественные различия относительно энергетических показателей образцов, а также качественной оценки работы их створчатого аппарата.

На основании совокупности проведенных исследований был сделан вывод о состоятельности разработанной биотехнической системы, при этом было отмечено, что в отличие от контроля, данный биопротез, помимо хирургической обладает возможностью транскатетерной имплантации. Научная новизна исследований и полученных результатов В диссертационной работе разработан метод моделирования биотехнической системы «биопротез-корень аорты» на основе метода конечных элементов„позволяющий оценивать контактное взаимодействие, напряженно-деформированное состояние и пространственную конфигурацию ее компонентов по результатам имплантации. На основании подробного статистического анализа получены анатомические модели корня аорты, а также нелинейные модели материала, отражающие свойства тканей аорты, с учетом их локализации. В результате экспериментальных исследований, получены основные зависимости радиальных сил, сил трения и напряженно-деформированного состояния каркаса протеза клапана аорты с бесшовным способом фиксации от параметров стентовой ячейки, лежащей в основе дизайна каркаса.

Исходя из проведенных исследований показано, что конструктивно заложенные гидродинамические показатели биопротеза с бесшовным способом фиксации имеют критическую зависимость от геометрии фиброзного кольца корня аорты: его эллиптичности и размера, а также жесткости тканей аорты. Научно-практическая значимость полученных результатов Полученные результаты имеют большое значение для развития техники и технологий операций хирургического и эндоваскулярного протезирования клапана аорты.