Misurazione dello stress su una valvola aortica espandibile con palloncino di terza generazione durante l'espansione

Sommario

Il seguente protocollo delinea le simulazioni condotte per valutare l'influenza del carico di pressione sistemico sull'integrità strutturale di una valvola SAPIEN 3 da 26 mm. Il livello di sollecitazione è stato determinato utilizzando analisi agli elementi finiti, che hanno indicato che le sollecitazioni più elevate durante la fase di crimpatura erano concentrate alle punte commissurali.

Abstract

Questo studio mirava a determinare le sollecitazioni meccaniche subite dalle valvole aortiche transcatetere espandibili con palloncino di terza generazione in presenza di calcificazione aortica, definite da un elevato indice di punteggio di Agatston per il calcio. Il dispositivo oggetto di indagine era la valvola Edwards SAPIEN 3 (d'ora in poi denominata S3-TAV), un dispositivo commerciale da 26 mm. Sono stati intrapresi cinque passi. La prima è stata la ricostruzione del modello tridimensionale (3D) di progettazione assistita da computer (CAD) del dispositivo. Il secondo era una simulazione del processo di crimpatura e riapertura. Il terzo è stato valutare l'effetto di crimpatura sullo stress dei lembi e un confronto con una condizione ideale. Il quarto era una simulazione di casi clinici reali. Infine, la fase successiva dello studio prevede la post-elaborazione dei risultati della simulazione e un confronto con i dati di follow-up. Una scansione di micro-tomografia computerizzata ad alta risoluzione è stata utilizzata per sviluppare un'accurata mesh geometrica 3D dello stent e della valvola. Le proprietà del materiale dei lembi sono state derivate da bioprotesi chirurgiche; Le proprietà del materiale degli stent si basavano su quelle del cobalto-cromo. Sono state condotte una serie di simulazioni per valutare l'impatto del carico di pressione sistemico sulla struttura. Lo stress è stato quantificato attraverso l'applicazione di analisi agli elementi finiti. Un'analisi delle sollecitazioni della valvola, condotta utilizzando la geometria esatta derivata da scansioni ad alta risoluzione, ha rivelato che le sollecitazioni di picco durante la fase di crimpatura erano concentrate alle punte commissurali, dove erano attaccati i lembi. Queste regioni sono state identificate come i siti più probabili per trombosi e degenerazione. La persistenza di calcificazioni voluminose a seguito dell'espansione del dispositivo provoca la formazione di perdite paravalvolari (PVL), che agiscono come precursori della trombosi e della degenerazione strutturale della valvola.

Introduzione

L'impianto transcatetere della valvola aortica (TAVI) ha dimostrato di essere un trattamento efficace per la stenosi aortica grave (AS), in particolare nei pazienti che sono a rischio intermedio o alto di sottoporsi a intervento chirurgico o in coloro che non sono idonei per l'intervento chirurgico 1,2,3,4. SAPIEN 3 rappresenta la terza generazione di valvole aortiche espandibili (TAV) transcatetere con palloncino. È stato inizialmente rilasciato per uso commerciale provvisorio in Europa nel gennaio 2014 e successivamente negli Stati Uniti nel giugno 2015. La valvola è stata il dispositivo TAVI pionieristico ad essere approvato dalla Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti per un'indicazione estesa, vale a dire pazienti chirurgici a rischio intermedio con grave SA sintomatica. Un notevole miglioramento nel design rispetto alla precedente iterazione SAPIEN XT (d'ora in poi denominata S-XT) è stata l'integrazione di una cuffia di tenuta esterna in polietilene tereftalato (PET) sull'aspetto basale dello stent. Questa innovazione ha ridotto notevolmente l'insorgenza di perdite paravalvolari (PVL). Inoltre, al fine di adattarsi a procedure più convenienti nei pazienti con anulus più piccoli e fornire prestazioni superiori negli impianti valvola-in-valvola, è stato sviluppato un S3-TAV di 20 mm di diametro oltre alle dimensioni standard di 23 mm, 26 mm e 29 mm. Una significativa ristrutturazione della configurazione dello stent S3-TAV ha portato a notevoli cambiamenti nelle sue implicazioni cliniche. La valvola crimpata presentava un profilo marcatamente ridotto, facilitando così il suo inserimento all'interno di una guaina espandibile 14F o 16F. Inoltre, lo stent includeva un numero maggiore di cellule alla sua estremità distale, il che facilitava i successivi interventi coronarici percutanei attraverso i montanti. Infine, la lunghezza complessiva dello stent è stata aumentata^{di 5}. L'avvento di configurazioni di stent che consentono l'accesso percutaneo transfemorale di routine rappresenta un progresso significativo nell'accesso vascolare per la TAVI.

Negli studi clinici originali che coinvolgevano individui ad alto rischio e inoperabili, che erano tipicamente ottantenni, le preoccupazioni relative alla durata della TAVI non erano un problema significativo 6,7,8,9,10,11,12. Tuttavia, poiché nello studio sono inclusi pazienti a basso rischio e di età più giovane, la questione della durata della TAVI diventa sempre più pertinente. Lo studio PARTNER (Placement of Aortic Transcatheter Valve) 3 ha iniziato il reclutamento nell'aprile 2016 con l'obiettivo di valutare la sicurezza e l'efficacia di S3-TAV in pazienti chirurgici a basso rischio con stenosi aortica (AS)¹³. La durata di una valvola è direttamente influenzata dal suo design. È stato determinato che è possibile riscontrare un elevato stress dei lembi nelle regioni che si trovano in prossimità di aree che presentano degenerazione calcifica e lacrimazione, che hanno il potenziale per essere implicate nelle complicanze della trombosi 14,15,16,17,18,19,20,21,22. Di conseguenza, un apprezzamento delle caratteristiche associate alle sollecitazioni dei lembi di TAV è essenziale per un confronto significativo della durata relativa dei TAV da condurre rispetto ad altri dispositivi o bioprotesi. In studi precedenti, la metodologia dell'analisi degli elementi finiti (FEA) è stata impiegata per la valutazione delle sollecitazioni meccaniche sui lembi sia delle valvole cardiache transcatetere espandibili con palloncino (TEHV) che delle TEHV autoespandibili 20,21,23,24.

La FEA costituisce una metodologia consolidata per la determinazione di dati indispensabili relativi a strutture biologiche sofisticate, che non sarebbe possibile misurare direttamente in vivo se non fosse per questo approccio. La FEA è uno strumento molto prezioso negli studi fisiologici quando viene impiegata per determinare la durata del dispositivo in silico mediante la stima dello stress e la determinazione della modalità di guasto. Per creare modelli accurati agli elementi finiti, è necessario disporre di una rappresentazione 3D precisa della geometria in uno stato di pressione zero, di una comprensione completa dell'assemblaggio, delle proprietà del materiale e delle condizioni di carico fisiologico. Date le sostanziali revisioni del design della valvola, la distribuzione delle sollecitazioni sulla più recente TAV espandibile con palloncino di terza generazione, quando presente, deve ancora essere stabilita nel contesto della calcificazione della valvola aortica^25,26.

L'obiettivo di questo studio è stato quello di accertare le sollecitazioni subite dagli stent e dai lembi TAV in un S3-TAV da 26 mm. La seconda fase ha comportato l'utilizzo di un modello biomeccanico computazionale per esaminare le potenziali modifiche strutturali che possono verificarsi ai lembi e allo stent dopo l'impianto di valvola cardiaca transcatetere (THV) in due pazienti con stenosi della valvola aortica sottoposti a una procedura di impianto transcatetere della valvola aortica con il sistema S3-TAV da 26 mm. Successivamente, le potenziali complicanze che potrebbero essersi sviluppate con il dispositivo sono state valutate in due casi di studio clinici.

In questo studio, le placche di calcio sono modellate sulla base dei dati ottenuti dalla ricostruzione della tomografia micro-computerizzata (Micro-CT). Gli obiettivi specifici dello studio sono quattro: (1) sviluppare un modello tridimensionale di progettazione assistita da computer (CAD 3D) della ricostruzione del dispositivo. (2) Valutazione dell'impatto della crimpatura e simulazione della riapertura con e senza lembi protesici. (3) Valutazione dell'effetto della crimpatura sullo stress subito dai lembi. (4) Replicare l'intera procedura clinica. La fase successiva dello studio richiede la post-elaborazione dei risultati della simulazione e un confronto con i dati di follow-up ^3,4 (Figura 1).

Viene proposto un approccio sistematico per la simulazione realistica della TAVI, che è allineato con la pratica clinica. L'obiettivo è quello di prevedere le prestazioni postoperatorie della protesi rispetto alle specifiche caratteristiche anatomiche in questione. Il dispositivo sperimentale era un S3-TAV da 26 mm ottenuto da un paziente e misurava 25,8 mm di diametro esterno e 20 mm di altezza.

L'assemblaggio TAV è costituito da quattro componenti: lembi pericardici bovini, stent in cobalto-cromo, rivestimento in Dacron e gonna di tenuta esterna in polietilene tereftalato (PET). Le dimensioni fisiche e le giunzioni di sutura tra i vari componenti vengono registrate per facilitare la modellazione precisa dell'assemblaggio con le sue connessioni. Viene sviluppata una mesh 3D che rappresenta l'apparato, seguita dall'applicazione di un FEA utilizzando un solutore esplicito agli elementi finiti. La post-elaborazione del FEA e l'analisi dei dati determinano le sollecitazioni subite dai lembi e dallo stent (Figura 2).

L'esempio fornito evidenzia due pazienti sottoposti a TAVI. I due pazienti presentavano una grave SA e sono stati considerati a più alto rischio di complicanze. Entrambi i pazienti sono stati sottoposti a TAVI tramite accesso transfemorale. In entrambi i casi è stata avviata la pianificazione preoperatoria utilizzando i dati TC, che rappresentano l'attuale metodologia standard per la selezione del dispositivo basata sulla valutazione dell'anello virtuale e sulla valutazione dell'approccio ideale in conformità con le linee guida ^3,4.

Protocollo

L'uso di questi dati per la ricerca è stato approvato dall'Institutional Review Board, con rinuncia al consenso del paziente. ID IRB: 202201057, numero di approvazione assegnato dall'IRB: IRB-MTP_2022_03_202201057; ID ClinicalTrials.gov: NCT05261204.

NOTA: Un riepilogo del protocollo è fornito nella Tabella 1.

1. Studio di biomodellazione del dispositivo indagato

1. Studio di biomodellizzazione computerizzata
   NOTA: Un paziente presentava un malfunzionamento attribuibile a una PVL. Il dispositivo è stato successivamente rimosso e utilizzato per lo studio biomeccanico.
   1. Eseguire una micro TAC per il paziente in questione.
   2. Confrontare i dati di imaging TC ottenuti dal modello agli elementi finiti (FEM) utilizzando un modello simile di due pazienti di controllo. Al fine di accertare l'accuratezza e la precisione dei dati di simulazione del dispositivo, effettuare un'analisi comparativa con i dati ottenuti da una TAC di controllo. Creare un modello CAD 3D del dispositivo utilizzando il dispositivo effettivo espiantato come riferimento (Figura 2A).
   3. Esecuzione dell'imaging dell'S3-TAV da 26 mm con uno scanner per microtomografia computerizzata a fascio conico da tavolo (micro CT -40) in vari orientamenti, comprese le sezioni longitudinali attraverso l'asse corto per visualizzare i lembi valvolari e l'asse lungo per facilitare la ricostruzione della struttura dello stent.
   4. Inoltre, utilizzare diverse intensità per facilitare la differenziazione tra le geometrie dello stent e del lembo valvolare. Utilizzare le seguenti impostazioni per la scansione: un'energia di 45 kVp, una corrente di 200 mA, un filtro di alluminio da 0,5 mm, un campo visivo di 50 mm, una dimensione del voxel di 50 mm e un tempo di integrazione di 200 ms per l'esame radiografico.
   5. Importa le immagini radiografiche digitali, con una dimensione del voxel di 50 mm, in Abaqus (commercial finite element solver) 2017, un programma software open source per la ricostruzione delle superfici.
   6. Ottenere il modello geometrico attraverso due processi distinti.
      1. Innanzitutto, ricostruisci geometricamente il telaio dello stent, i fogli protesici e il facciale interno utilizzando i comandi del software CAD Rhinoceros 5.0.
         NOTA: I modelli CAD dei telai degli stent sono stati creati utilizzando il software Rhinoceros 5.0 e le fasi di crimpatura sia dei dispositivi che dei loro cateteri sono state riprodotte utilizzando il software commerciale Finite element solver/Explicit di MatLab. Questo processo ha comportato la riduzione graduale dei diametri iniziali del catetere di 27 mm fino a raggiungere la dimensione finale di 4,7 mm. Il comportamento della valvola espandibile con palloncino all'interno della radice aortica del paziente è stato replicato utilizzando uno spostamento radiale standardizzato applicato ai nodi di un modello cilindrico fisso progettato per replicare il palloncino espandibile interno. Questo processo è iniziato con la configurazione crimpata del telaio transcatetere.
      2. Successivamente, definire le proprietà del FEM.
         NOTA: Il comportamento elastoplastico comprende un modello di plasticità di von Mises con indurimento isotropo, un modello iperplastico isotropo (potenziale di energia di deformazione: Ogden, 1° ordine), un modello elastico isotropo e, infine, una mesh comprendente 89.718 elementi. Questi sono suddivisi in elementi di foglietto illustrativo e gonna (41.154 elementi S4R) ed elementi di telaio (48.564 elementi C3D8R) (Figura 2B).
   7. Esecuzione di esami TC pre-operatori (Centre Cardiologique du Nord, Saint Denis, Francia) utilizzando uno scanner per tomografia computerizzata a doppia sorgente. Per ottenere immagini con contrasto migliorato, iniettare un mezzo di contrasto iodato. I principali parametri di scansione per la TC cardiaca includono misto assiale e non elicoidale, 120 kV, smart mA, prodotto dose-lunghezza (DLP) 475 mGy.cm, indice di massa corporea (BMI) 26, 70-96 battiti al minuto (bpm) e tempo di acquisizione 6,8 s (Figura supplementare 1).
   8. Utilizzare il risolutore agli elementi finiti (https://www.suse.com/pcsc/viewVersionPage?versionID=17782) commerciale per creare un FEM della valvola aortica come riportato nei passaggi 1.1.3-1.1.7. (Figura 2, Figura 3 e Figura 4).
      NOTA: La Tabella 2 presenta un riepilogo dei test eseguiti di simulazione di crimpatura e riapertura.
   9. Utilizzate questi modelli nelle simulazioni che coinvolgono la crimpatura degli stent e gli impianti di protesi all'interno delle radici native.
   10. Per creare modelli geometrici specifici per il paziente del complesso valvolare aortico, utilizzare un TAV recuperato, garantendo proprietà precise del materiale.
       NOTA: La simulazione TAVI comprendeva i seguenti passaggi: (i) Pre-elaborazione delle immagini mediche; (ii) Individuazione di modelli appropriati per l'analisi; (iii) Simulazione della procedura sulla base dei dati acquisiti; (iv) Post-elaborazione dei risultati della simulazione.

2. Modello nativo di radice aortica

1. Utilizzare il software ITK-SNAP 3.6 (accessibile tramite il 20, 2021) per identificare le principali caratteristiche anatomiche della radice aortica del paziente dalle immagini DICOM preoperatorie e generare ricostruzioni tridimensionali (Segmentazione).
   1. Elaborare i set di dati CT utilizzando ITK-Snap v2.4.
   2. Estrarre una regione confinata di interesse (cioè la radice aortica dal deflusso ventricolare sinistro alla giunzione sinotubulare) dall'intero corpo ricostruito, sfruttando le capacità di miglioramento del contrasto, ritaglio e segmentazione del software.
      1. Utilizzare il software ITK-Snap v.2.4 per l'estrazione della rappresentazione stereolitografica (STL) della radice aortica e dei depositi calcifici dalle immagini TC.
      2. Elabora il file STL e genera la mesh agli elementi finiti della radice aortica utilizzando un codice interno su misura. Modellare le foglioline native con elementi a conchiglia ipotizzando uno spessore uniforme di 2,5 mm ^23,25.
         NOTA: Fare riferimento alla sezione 1 del File supplementare 1 12,20,23,25,26 per maggiori dettagli.
   3. Dopo la segmentazione, utilizzare un codice Matlab interno (v.R2018b) per generare una mesh adatta della parete aortica.
2. Per semplicità, si supponga uno spessore costante di 2,5 mm.
3. Utilizzare i comandi di Rhinoceros 5.0 per costruire una geometria CAD 3D definitiva della radice aortica, come descritto in precedenza nel passaggio 1.1.6.
4. Esporta la ricostruzione volumetrica della radice aortica nel risolutore commerciale agli elementi finiti per la discretizzazione utilizzando elementi tetraedrici C3D4. Fare riferimento alla sezione 2 del File supplementare 1.

3. Calcificazioni

NOTA: Per riattivare accuratamente la TAVI, includere calcificazioni vicino al foglietto illustrativo. Questi possono influenzare in modo significativo la dinamica dell'espansione dello stent insieme alla complessità tecnica e all'efficacia della procedura.

1. Per il modello commerciale di risolutore agli elementi finiti, considerare ogni calcificazione come un'entità autonoma.
2. Utilizzare una tecnica di vincolo di accoppiamento cinematico, collegando i nodi superficiali dei depositi di calcio ai nodi di riferimento designati dei lembi per garantire un allineamento preciso.
3. Fare riferimento alla sezione 3 del File supplementare 1, della Figura 2 supplementare e della Figura 3 supplementare.

4. Modello protesico

NOTA: Le immagini micro-CT ad alta risoluzione dei dispositivi TAV da 26 mm, acquisite dopo l'espansione, sono state impiegate per generare modelli geometrici precisi dei dispositivi attraverso la creazione di repliche 3D accurate utilizzando software CAD.

1. Costruisci modelli CAD dei telai degli stent utilizzando Rhinoceros 5.0 e Matlab.
2. Ottenere il modello geometrico utilizzando due processi distinti.
   1. Prima fase: utilizzare i comandi del software CAD Rhinoceros 5.0, che consentono la ricostruzione geometrica del telaio dello stent, dei fogli protesici e del facciale interno.
   2. Seconda fase: Eseguire l'analisi e la distribuzione delle sollecitazioni sulla mappatura della mesh degli elementi mediante codice Matlab interno (https://www.mathworks.com/help/matlab/matlab_prog/create-scripts.html) (Figura 2).
3. Utilizzare il risolutore a elementi finiti commerciale/Explicit per replicare le fasi di crimpatura del dispositivo all'interno dei cateteri, con il diametro iniziale di 27 mm gradualmente ridotto al diametro finale di 4,7 mm.
4. Importare le immagini radiografiche digitali, con una dimensione del voxel di 50 mm, nel solutore commerciale agli elementi finiti per la ricostruzione della superficie (Figura 3, Figura 4, Figura 5 e Figura 6). Esaminare le definizioni di contatto tra i lembi e lo stent per scegliere la rappresentazione più accurata del comportamento complessivo sulla base di questi dati.
5. Collegare i nodi del lembo allo stent utilizzando un contatto di collegamento , con un valore del coefficiente di attrito di 0,1 (t = 0,1 s).
6. Applicare le geometrie dei lembi TAV al Dacron nella parte inferiore e fissarlo alla geometria dello stent nella parte superiore.
7. Dividere la rete del lembo TAV in quattro regioni distinte per studiare la distribuzione delle sollecitazioni dovute al carico di pressione: (i) commessura superiore, (ii) commessura inferiore, (iii) regione del lembo libero superiore, (iv) regione del ventre del lembo inferiore.
8. Al fine di replicare il comportamento della valvola espandibile con palloncino all'interno della radice aortica del paziente, implementare uno spostamento radiale uniforme ai nodi di una superficie cilindrica rigida, che serve a emulare il palloncino interno in espansione.
   NOTA: Questo è stato fatto a partire dalla configurazione crimpata del telaio transcatetere.

5. Modelli di materiali

1. Modella i tessuti dei lembi nativi.
   1. Utilizzare le proprietà del materiale isotropo di St. Venant-Kirchhoff semplificate. Queste proprietà includono il modulo di Young E con un valore di 8 MPa e un rapporto di Poisson v di 0,45.
   2. Utilizzare un modello costitutivo polinomiale ridotto a sei ordini per descrivere il materiale iperplastico¹¹, che rappresenta il comportamento quasi incomprimibile del tessuto radicolare cardiaco.
   3. Per la parete aortica e i lemmini, si supponga un valore di E = 8 MPa, v = 0,45 e ρ = 1,1 × ^10-9 tonnellate/mm³.
   4. Per i tessuti calcificati, utilizzare i seguenti valori^12,24: E = 10 MPa, v = 0,35 e ρ = 2 × ^10-9 tonnellate/mm 3.
   5. Utilizzare il modello di plasticità di von Mises con indurimento isotropo per descrivere il comportamento elastoplastico dello stent.
   6. Utilizzare i seguenti valori per i parametri pertinenti: E = 233 GPa; v = 0,35; 414 MPa, 933 MPa e 44,5% in termini di tensione di snervamento, tensione di rottura e deformazione a rottura, rispettivamente²⁴.

6. Dettagli della simulazione

NOTA: Nel contesto delle simulazioni TAVI, il rapporto tra energia cinetica ed energia interna è rimasto al di sotto del 10% per tutto il tempo, riflettendo la natura essenzialmente quasi statica del dispiegamento dello stent.

1. Al fine di garantire una rappresentazione accurata dell'ambiente in vivo osservato nelle radici aortiche, imporre condizioni al contorno preliminari su entrambe le estremità che sono state vincolate a un piano normale allineato con l'asse degli stent. Utilizzare questo approccio per evitare movimenti eccessivi. Fare riferimento al file supplementare 1.
2. Inoltre, ostruire i linfonodi alla base degli stent per ostacolare la traslazione longitudinale degli impianti protesici durante la fase di riapertura della protesi. Fissare il periodo di tempo della simulazione a 0,8 s, consentendo così il dispiegamento di stent all'interno della radice aortica dei pazienti. Fare riferimento al File supplementare 1, alla Figura supplementare 2 e alla Figura supplementare 3.

Risultati

Valutazione dell'effetto di crimpatura sulla sollecitazione dei lembi: considerazioni generali
I valori di stress sui lembi protesici in fase diastolica sono stati ottenuti dopo il completamento delle seguenti fasi: (a) La chiusura del lembo è stata ottenuta applicando una pressione fisiologica uniforme (0,005 MPa ≈80 mmHg) sulla loro superficie esterna. (b) L'apposizione del lembo è stata quindi facilitata dalla riespansione del telaio dello stent. (c) Infine, i lembi sono stati inclusi in una config...

Discussione

Le prestazioni biomeccaniche di S3-TAV sono state valutate in relazione ai progressi tecnologici del dispositivo, che rappresentano una terza generazione di tali dispositivi. Tuttavia, questa analisi ha anche preso in considerazione le sfide in corso che rimangono nella regione di impianto e la geometria dell'anulus aortico e della calcificazione radicale o solida e voluminosa. Il presente studio dimostra che le sollecitazioni principali massime e minime che si verificano nel 26 mm S3-TA...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Abaqus	Dassault Systè mes (Simulia, Providence, RI, USA)	2017	risolutore commerciale agli elementi finiti
Edwards SAPIEN 3 valvole	Edwards Lifesciences, Inc. di Irvine, California	https://www.edwards.com/healthcare-professionals/products-services/transcatheter-heart/transcatheter-sapien-3-ultra	valvola Sapien ha studiato
ITK-SNAP	www.itksnap.org	Versione 3.6	Identificazione dell'anatomia su immagini DICOM preoperatorie
Matlab	Mathworks Inc., Natick, MA, USA)	v.R2018b	Generare una mesh adatta della parete aortica
MicroCT-40	Scanco Medical AG, Basilea, Svizzera		Scanner per microtomografia computerizzata a fascio conico da tavolo
Revolution Apex	GE Healthcare, Chicago, Illinois, USA		Scanner per tomografia computerizzata a doppia fonte
Rinoceronte	McNee and Associates, Seattle, WA, USA	Versione 5.0	Costruisci un progetto 3D definitivo assistito da computer