Диссертация (1025060), страница 21
Текст из файла (страница 21)
В отличие от каркасных клапанов,современные транскатетерные биопротезы покрывают больший диапазондиаметров ФК корня аорты для имплантации. Эффект унификации линейкипротезов данного типа обусловлен свойствами сверхэластичного опорногокаркаса. С учетом протяженности «плато разгрузки» никелида титана (Рис. 1.7),можно предположить, что «универсальная» модель каркаса транскатетерногопротеза способна обеспечить относительно стабильное взаимодействие с корнем138аорты во всем диапазоне исследуемых типоразмеров.
Таким образом, проверкаданной гипотезы определит необходимость использования серии типоразмеровпротезов каркасов клапана аорты. Вторая часть исследования посвящена выборуоптимальной конструкции каркаса протеза, полученной за счет модификацииисходной стентовой геометрии.Моделирование имплантации протезов было выполнено МКЭ в комплексеинженерногоанализаABAQUS/CAE(DassaultФранция)Systems,сиспользованием моделей корня аорты человека четырех типоразмеров,описанных во второй главе настоящей работы.
В исследовании использовалираздельное описание материала для зоны ФК и ее вышележащих элементов пособственным данным [17],атакжелинейно-изотропную модель длякальцинированной ткани согласно литературным данным [55] (Таблица 9).Таблица 9.Коэффициенты моделей материала аортыМатериалАортаС10,С01,С20,С11,С02,МПаМПаМПаМПаМПа 1/МПа 1/МПа МПа1,37-1,250,062Фиброзноекольцо – нормаФиброзноекольцо –0,134-0,0040,097-0,3D1,0,017D2,0,017E,-2,68-2,430,590,0270,027-----22.6кальцийПримечание: С10, С01, С20, С11, С02, D1, D2 – феноменологические коэффициентыполиномиальной модели второго порядка для ABAQUS/CAE;E – модуль упругости линейной изотропной моделиОписание физико-механических свойств никелид-титанового каркаса быловыполнено с использованием встроенного в ABAQUS/CAE модуля UMAT,139использующего модель нитинола согласно Ауриччио [42, 43] (Рис.
3.2), соследующими параметрами материала [6] при температуре 37°C:-σ =550 МПа;-σ = 620 МПа;-σ = 440 МПа;-σ = 330 МПа;-EM = 20000 МПа;-EA = 45000 МПа;-υ M = υ A = 0,33;-εL= 0,05.SLELSUEUМодель стентоподобного опорного каркаса с наружным диаметром 29 мм,состоящая в окружности из 12 «diamond cell» ячеек, с соответствующей толщинойи шириной балки 0,4 мм и 0,3 мм, была построена с использованием программногообеспечения UGS NX 8.0 (Siemens, Германия).
В продольном направленииконструкция представляла собой четыре ряда попарно соединенных ячеек: сдлиной балки 5,0 мм в приточной части, и 7,5 мм – в выводной. Аналогичнымобразом были построены модели меньших типоразмеров: 23, 25 и 27 мм (Рис.4.20).23 мм25 мм27 мм29 ммCaНормаCaНормаCaНормаCaНормаРис. 4.20.
Схема эксперимента имплантации исходной модели стента:«универсальная» и «специфичная» модели140В ходе эксперимента наибольшая модель каркаса протеза (29 мм) былаимплантирована во все типоразмеры моделей аорт (далее по тексту данная серияэкспериментов обозначена как «универсальная модель»), остальные модели былиимплантированы в соответствии с предназначенным типоразмером (далее«специфичная модель»).С целью улучшения функциональных показателей каркасов протезовиспользовали различные способы модификации исходной геометрии каркаса,основанные на его адаптации к анатомии корня аорты человека: в частности,руководствовались пространственным расположением синусов Вальсальвы,коронарных артерий, размерами ФК и СТС (Рис.
4.21):Ø 23 мм, 25 мм, 27 мм, 29 ммИсследуемыетипоразмеры1234Модели6879каркаса5МоделиСостояниеаортыматериалаCaНормааортыРис. 4.21. Дизайн исследования способов модификации базовоймодели каркаса протеза клапана аортыТаким образом, в исследовании были использованы модели каркасовпротезов на основе различных комбинаций трех базовых модификаций:1)изолированное изменение диаметра приточной, центральной иливыводной зоны каркаса;1412)введение опорных стоек в центральную зону каркаса, а такжеизменение диаметра центральной и выводной зон;3)введение в центральную зону дополнительных элементов фиксации.Моделирование имплантациимодифицированного каркасапротезаосуществляли для каждой модели всех четырех типоразмеров.Все исследуемые модели каркасов и корня аорты импортировали вкомплекс инженерного анализа ABAQUS/CAE и подвергали разбиению наконечно-элементную сетку.
Все исходные модели опорного каркаса содержали12400 кубических полностью интегрируемых элементов C3D8I. Количествоэлементов в сетке модифицированных моделей варьировали в зависимости отналичия или отсутствия элементов конструкции в диапазоне от 8200 до 11700элементов C3D8I. Вследствие высокой степени различия геометрическихпараметров, модели корня аорты содержали от 25300 до 48500 конечныхэлементов C3D8.Имплантацию модели каркаса в модель корня аорты выполняли идентичнодля всех исследуемых конструкций: сжатие каркаса до 6 мм в диаметре; сдвиг«катетера»вантероградномнаправлении;стабилизацияконтактасдемпфированием динамических эффектов; сдвиг каркаса для оценки силы трения(Рис.
4.22). В качестве «катетера» использовали цилиндрическую мембрану,состоящую из 6000 элементов M3D4 типа. К данной мембране прикладывалирадиальное перемещение для сжатия исследуемых каркасов до рабочего (6 мм)диаметраи,затем,перемещениевдольцентральной оси,имитируявысвобождение каркаса из катетера. В виду наличия значимых динамическихэффектов в ходе моделирования был выбран метод явной динамики,реализованный в решателе ABAQUS Explicit, который основан на явной схемеинтегрирования уравнений движения во времени с учетом больших перемещений.В исследовании определены возможные контактные взаимодействия междутелами с использованием технологии автоматического поиска контактных пар.142Учтено фрикционное взаимодействие контактирующих поверхностей в рамкахмодели трения Кулона с коэффициентом = 0,2 [28].а)б)в)г)Рис.
4.22. Моделирование имплантации исследуемых опорных каркасова) сжатие каркаса до 6 мм; б) сдвиг катетера и раскрытие каркаса;в) стабилизация контакта «каркас-аорта»; г) сдвиг каркаса в направлении U3В работе оценивали радиальную силу, создаваемую каркасом; площадьконтакта; балансный диаметр каркаса и аорты; среднее значение контактногодавления. Исходя из полученных показателей балансного диаметра, рассчитывалиизменение диаметра ФК (∆D) относительно исходного. Эпюры интегральногопоказателя напряжения в узлах модели аорты были представлены на основенапряжения по Мизесу [71], в то время как оценка запаса прочности былавыполнена исходя из показателей главного напряжения.В эксперименте постановки различных типов подходов в случаеиспользования «нормального» описания ФК наблюдали чрезмерное увеличениедиаметра последнего (∆D) (Рис. 4.23).
Данный эффект обусловлен меньшейжесткостью ФК в случае «нормального» описания материала по сравнению с«кальцинированным» описанием исследуемой области. При этом в случаеимплантации «универсальной» модели конструкции увеличение типоразмеракорня аорты сопровождалось непостоянным значением ∆D (Рис. 4.23 – стрелка А),143а в случае использования «специфичной» конструкции данный показательсохранялся на относительно стабильном уровне (Рис. 4.23 – стрелка Б).
Подобноеповедение исследуемых объектов можно объяснить большой разницей исходныхдиаметров в случае универсальной модели: так, в крайнем случае, в работемоделировали взаимодействие каркаса диаметром 29 мм и корня аорты диаметром19 мм, что, безусловно, сказалось на конечном балансном диаметре всей БТС. Вслучае «стандартной» конструкции, напротив, разница исходных диаметров длякаркаса и аорты была постоянна – 4 мм, вследствие чего, сохранялось постоянноезначение ∆D при всех вариантах взаимодействия.
При патологическом состояниитканей – «кальцинозе», напротив, было отмечено малое изменение ∆D для обоихподходов, что также обусловлено высокой жесткостью материала.Рис. 4.23. Изменение диаметра фиброзного кольца (∆D) моделейкорня аорты в результате имплантации каркаса транскатетерногопротеза для различных подходов и свойств аортыПо результатам эксперимента «специфичная модель» конструкциипродемонстрировал стабильное изменение диаметра ФК, однако следует отметитьнегативное влияние податливого материала аорты и в этом случае: увеличениедиаметра сопровождалось падением силы трения ниже допустимого значения,определенного исходя из гидростатического давления крови, в диапазоне моделейаорты № 21–25 (Рис. 4.24).
Модели кальцинированной аорты, напротив,обеспечивалидостаточную силутрениянезависимооттипоразмера144имплантированного каркаса и выбранного подхода. Имплантация универсальнойконструкции каркаса порезультатам исследования продемонстрироваласпособность к надежной фиксации лишь для 19 и 23-ей модели аорт, что такжеFfriction, Ннельзя считать удовлетворительным.121086420КальцинозУниверсальная конструкцияНормаЛинейная(Кальциноз)19212325Ffriction, Н№ моделиРасчетная сила сдвигаСпецифичная конструкция1086420Линейная (Норма)кровотока в диастолу придавлении 120 мм рт.ст.:Fblood (Кальциноз)19212325Fblood (Норма)№ моделиРис. 4.24. Зависимость силы трения (Ffriction) от типоразмера аортыдля различных подходов и способов описания модели материалаОпираясь на результаты изменения балансного диаметра силы трения внезависимости от исследуемого подхода, можно сделать вывод, что высокаяжесткость кальцинированной аорты оказывает положительный эффект нафункциональные характеристики протеза.
Следовательно, при разработкебиопротезов клапана аорты с бесшовным способом фиксации следует исходить изпараметров «нормального» материала аорты, как наиболее тяжелых условийработы БТС.145По результатам данного эксперимента диапазон значений радиальных сил,создаваемых каркасом протеза, составил 28,4–50,8 Н, что по литературнымданным соответствует аналогичному показателю подобных клиническихпротезов, в частности CoreValve (Medtronic, США) – порядка 50 Н [95]. Такимобразом, с учетом коэффициента трения, можно предположить, что именножесткость кальцинированного материала в большей степени соответствуетрадиальным силам протеза с бесшовным способом фиксации.Полученные по результатам исследования значения максимальногонапряжения узлов в моделях аорты существенно различались в зависимости отподхода:«специфичная»конструкция,всоответствии сполученнойзависимостью радиальных сил, обеспечивала относительно стабильное значениеисследуемого показателя, в отличие от универсальной модели (Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
