第3世代バルーン拡張型大動脈弁の拡張時の応力測定

サマリー

次のプロトコルは、26 mm SAPIEN 3 バルブの構造的完全性に対する全身圧力負荷の影響を評価するために実施されたシミュレーションの概要を示しています。応力レベルは有限要素解析を利用して決定され、圧着段階で最も高い応力が交連の先端に集中していることが示されました。

要約

この研究は、カルシウムのアガットストンスコア指数の上昇によって定義される大動脈石灰化の存在下で、第 3 世代のバルーン拡張型経カテーテル大動脈弁が経験する機械的ストレスを決定することを目的としています。調査中のデバイスは、26mmの商用デバイスであるEdwards SAPIEN 3バルブ(以下、S3-TAVと呼びます)でした。5つのステップが踏まれました。1つ目は、デバイスの3次元(3D)コンピューター支援設計(CAD)モデルの再構築でした。2つ目は、圧着と再開のプロセスのシミュレーションでした。3つ目は、リーフレットの応力に対する圧着効果の評価と理想的な条件との比較でした。4つ目は、実際の臨床例のシミュレーションでした。最後に、調査の次のフェーズでは、シミュレーション結果の後処理とフォローアップデータとの比較が行われます。高解像度のマイクロコンピューター断層撮影スキャンを使用して、ステントと弁の正確な3D幾何学的メッシュを作成しました。リーフレットの材料特性は、外科的バイオプロテーゼに由来しました。ステントの材料特性は、コバルトクロムの材料特性に基づいていました。構造に対する全身圧力荷重の影響を評価するために、一連のシミュレーションが行われました。応力は、有限要素解析の適用を通じて定量化されました。高解像度スキャンから導き出された正確な形状を使用して実施されたバルブの応力分析により、圧着段階のピーク応力は、リーフレットが取り付けられている交連の先端に集中していることが明らかになりました。これらの領域は、血栓症と変性症の最も可能性の高い部位として特定されました。デバイスの拡張後もかさばる石灰化が持続すると、血栓症や構造的な弁変性の前兆として機能する弁周囲漏出 (PVL) が形成されます。

概要

経カテーテル的大動脈弁留置術 (TAVI) は、特に手術を受けるリスクが中程度または高い患者、または外科的介入に適格でない患者において、重度の大動脈弁狭窄症 (AS) の効果的な治療法であることが実証されています 1,2,3,4。SAPIEN 3は、第3世代の経カテーテルバルーン拡張型大動脈弁(TAV)です。当初は2014年1月にヨーロッパで暫定的な商用利用が開始し、その後2015年6月に米国でリリースされました。このバルブは、米国食品医薬品局(FDA)によって、適応拡大、すなわち重度の症候性ASを持つ中リスクの外科患者に対して承認された先駆的なTAVIデバイスでした。先行するSAPIEN XT(以下、S-XT)と比較して、デザインの注目すべき改善点は、ステントの基部に外側のポリエチレンテレフタレート(PET)シーリングカフが組み込まれたことです。この革新により、弁周囲漏出(PVL)の発生が著しく減少しました。さらに、環状動脈が小さい患者様の手技をより簡便に対応させ、バルブインバルブ移植において優れた性能を発揮するため、標準の23mm、26mm、29mmサイズに加え、20mm径のS3-TAVを開発しました。S3-TAV ステント構成の大幅な再構築により、その臨床的影響に顕著な変更が加えられました。圧着されたバルブは著しく減少したプロファイルを示し、それにより14Fまたは16Fの拡張可能なシース内での挿入が容易になりました。さらに、ステントはその遠位端により多くの細胞を含んでおり、これにより、ストラットを介したその後の経皮的冠動脈インターベンションが容易になりました。最後に、ステントの全長が延長されました⁵。日常的な経大腿経皮的アクセスを可能にするステント構成の出現は、TAVIの血管アクセスの大幅な進歩を表しています。

高リスクで手術不能な個人(通常はオクトジェナリアン)を対象とした最初の臨床試験では、TAVIの耐久性に関する懸念は重大な問題ではなかった6,7,8,9,10,11,12。それにもかかわらず、リスクが低く年齢が若い患者が研究に含まれるにつれて、TAVIの耐久性の問題はますます重要になります。大動脈弁狭窄症(AS)¹³の低リスク手術患者におけるS3-TAVの安全性と有効性を評価することを目的として、Placement of Aortic Transcatheter Valves (PARTNER) 3試験は2016年4月に募集を開始しました。バルブの耐久性は、その設計に直接影響されます。高揚したリーフレットストレスは、血栓症の合併症14,15,16,17,18,19,20,21,22に関与する可能性のある石灰化変性および裂傷を示す領域に近接した領域で見られることが決定されています.したがって、TAVの相対的な耐久性を他のデバイスや生体補綴物と比較して意味のある比較を行うためには、TAVリーフレットストレスに関連する特性を理解することが不可欠です。以前の研究では、バルーン拡張型経カテーテル心臓弁(TEHV)と自己拡張型TEHVの両方の弁尖にかかる機械的ストレスの評価に有限要素解析(FEA)の方法論が採用されました20,21,23,24。

FEAは、このアプローチがなければ、生体内で直接測定することは不可能なままである、洗練された生物学的構造に関連する不可欠なデータを決定するための確固たる方法論を構成しています。FEAは、応力推定と故障モード決定によってシリコ内のデバイスの耐久性を決定するために使用される場合、生理学的研究において非常に価値のあるツールです。正確な有限要素モデルを作成するには、ゼロ圧力状態のジオメトリを正確に3Dで表現し、アセンブリ、材料特性、および生理学的荷重条件を包括的に理解する必要があります。弁の設計が大幅に改訂されたことを考えると、最新の第 3 世代のバルーン拡張型 TAV の応力分布は、存在する場合でも、大動脈弁石灰化の文脈ではまだ確立されていません^25,26。

この研究の目的は、26 mm S3-TAV の TAV ステントとリーフレットが受ける応力を確認することでした。第 2 ステップでは、S3-TAV 26 mm システムによる経カテーテル大動脈弁留置術を受けた大動脈弁狭窄症の 2 人の患者における経カテーテル心臓弁 (THV) 留置後に弁尖とステントに発生する可能性のある、弁尖とステントに発生する可能性のある構造変化を調べるための計算生体力学的モデルの利用を伴いました。その後、このデバイスで発症した可能性のある合併症を 2 つの臨床症例研究で評価しました。

この研究では、マイクロコンピューター断層撮影(Micro-CT)再構成から得られたデータに基づいてカルシウムプラークをモデル化します。この研究には、(1)デバイス再構築の3次元コンピュータ支援設計(3D CAD)モデルを開発するという4つの具体的な目的があります。(2)圧着の影響と、補綴リーフレットの有無にかかわらず再開のシミュレーションを評価します。(3)チラシが受ける応力に対する圧着の影響を評価します。(4)完全な臨床手順を複製する。調査の次のフェーズでは、シミュレーション結果の後処理とフォローアップデータ^3,4(図1)との比較が必要になります。

TAVIの現実的なシミュレーションのために、臨床診療に沿った体系的なアプローチが提案されています。目的は、問題の特定の解剖学的特徴に対するプロテーゼの術後のパフォーマンスを予測することです。治験デバイスは、患者から取得した 26 mm の S3-TAV で、外径 25.8 mm、高さ 20 mm でした。

TAVアセンブリは、ウシ心膜リーフレット、コバルトクロムステント、ダクロンカバー、および外側ポリエチレンテレフタレート(PET)シーリングスカートの4つのコンポーネントで構成されています。物理的な寸法とさまざまなコンポーネント間の縫合接合部が記録され、アセンブリとその接続部の正確なモデリングが容易になります。装置を表す3Dメッシュが作成され、続いて有限要素陽解法ソルバーを使用してFEAが適用されます。FEAの後処理とデータ解析により、リーフレットとステントが受ける応力が決定されます(図2)。

提供されている例では、TAVIを受けた2人の患者に焦点を当てています。2人の患者は重度のASを呈し、合併症のリスクが高いと考えられていました。どちらの患者も経大腿アクセスを介してTAVIを受けました。術前計画は、どちらの場合も CT データを使用して開始されましたが、これは、仮想リングの評価に基づくデバイス選択の現在の標準的な方法論であり、ガイドライン ^3,4 に従った理想的なアプローチの評価を表しています。

プロトコル

これらのデータを研究に使用することは、患者の同意を放棄した上で、治験審査委員会によって承認されました。IRB ID:202201057、IRBによって割り当てられた承認番号:IRB-MTP_2022_03_202201057;ClinicalTrials.gov ID: NCT05261204.

注:プロトコルの概要を 表1に示します。

1. 調査したデバイスバイオモデリング研究

1. コンピューテッド・バイオモデリング研究
   注:1人の患者はPVLに起因する機能不全を示しました。その後、デバイスは取り外され、生体力学的研究に利用されました。
   1. 問題の患者に対してマイクロCTスキャンを実行します。
   2. 有限要素モデル(FEM)から取得したCT画像データを、2人の対照患者からの同様のモデルを使用して比較します。デバイスのシミュレーションデータの精度と精度を確認するために、コントロールCTスキャンから得られたデータとの比較分析を行います。外植された実際のデバイスを参考にして、デバイスの3DCADモデルを作成します(図2A)。
   3. 卓上コーンビームマイクロコンピュータ断層撮影スキャナー(マイクロCT-40)を使用して、弁尖を視覚化するための短軸とステント構造の再構築を容易にするための長軸を通る縦断面を含む、さまざまな向きで26mmS3-TAVのイメージングを行います。
   4. さらに、ステントと弁尖の形状の区別を容易にするために、異なる強度を使用します。スキャンには、エネルギー45 kVp、電流200 mA、フィルター0.5 mmアルミニウム、視野50 mm、ボクセルサイズ50 mm、X線検査の積分時間200 msの設定を使用します。
   5. ボクセルサイズ50mmのデジタルX線画像を、表面再構成用のオープンソースソフトウェアプログラムであるAbaqus(商用有限要素ソルバー)2017にインポートします。
   6. 幾何学的モデルは、2つの異なるプロセスを通じて取得します。
      1. まず、CADソフトウェアRhinoceros 5.0のコマンドを使用して、ステントフレーム、補綴シート、インナースカートを幾何学的に再構築します。
         注:ステントフレームのCADモデルはRhinoceros 5.0ソフトウェアを使用して作成され、デバイスとそのカテーテルの両方の圧着フェーズは、MatLabの商用有限要素ソルバー/ Explicitソフトウェアを使用して再現されました。このプロセスでは、最初のカテーテルの直径を27 mmに徐々に縮小し、最終的なサイズの4.7 mmに達しました。患者の大動脈基部内のバルーン拡張弁の挙動は、内部拡張バルーンを再現するように設計された固定円筒形モデルのノードに適用される標準化された半径方向の変位を使用して再現されました。このプロセスは、経カテーテルフレームの圧着構成から始まりました。
      2. 続いて、FEM のプロパティを定義します。
         注:弾塑性挙動は、等方性硬化を伴うフォンミーゼス塑性モデル、等方性超塑性モデル(ひずみ-エネルギーポテンシャル:オグデン、1次)、等方性弾性モデル、そして最後に89,718要素からなるメッシュで構成されています。これらは、リーフレットとスカートの要素(41,154のS4R要素)とフレームの要素(48,564のC3D8R要素)に細分されます(図2B)。
   7. 術前CT検査(Centre Cardiologique du Nord、Saint Denis、France)をデュアルソースCTスキャナーを使用して実施します。コントラスト強調画像を取得するには、ヨウ素化造影剤を注入します。心臓CTの主なスキャンパラメータには、混合軸ゲートとヘリカルアンゲーテッド、120 kV、スマートmA、線量長積(DLP)475 mGy.cm、ボディマス指数(BMI)26、70-96 bpm(bpm)、および取得時間6.8秒(補足図1)が含まれます。
   8. 商用の有限要素ソルバー (https://www.suse.com/pcsc/viewVersionPage?versionID=17782) を使用して、手順 1.1.3 から 1.1.7 で報告した大動脈弁 FEM を作成します。(図 2、 図 3、 および図 4)。
      注: 表 2 は、圧着と再開のシミュレーションで実施したテストの概要を示しています。
   9. これらのモデルは、ステント圧着や天然根への補綴物の移植を含むシミュレーションに使用します。
   10. 大動脈弁複合体の患者固有の幾何学的モデルを作成するには、取得したTAVを利用して、正確な材料特性を確保します。
       注:TAVIシミュレーションには、次の手順が含まれていました:(i)医用画像の前処理。(ii)分析のための適切なモデルを特定する。(iii)取得したデータに基づく手順のシミュレーション。(iv) シミュレーション結果の後処理。

2. ネイティブ大動脈根モデル

1. ITK-SNAP 3.6ソフトウェア(2021年20月20日からアクセス可能)を使用して、術前のDICOM画像から患者の大動脈基部の主要な解剖学的特性を特定し、3次元再構成(セグメンテーション)を生成します。
   1. CTデータセットをITK-Snap v2.4で処理します。
   2. 再構築された全身から、ソフトウェアのコントラスト強化、クロッピング、セグメンテーション機能を活用して、限られた関心領域(すなわち、左心室流出から副鼻管接合部までの大動脈基部)を抽出します。
      1. ITK-Snap v.2.4ソフトウェアを使用して、CT画像から大動脈基部と石灰沈着物のステレオリソグラフィー(STL)表現を抽出します。
      2. STLファイルを処理し、特注の社内コードを使用して大動脈基部の有限要素メッシュを生成します。シェル要素を使用してネイティブリーフレットをモデル化し、均一な厚さ^{2.5 mm 23,25}を仮定します。
         注:詳細については、補足ファイル1 12,20,23,25,26のセクション1を参照してください。
   3. セグメンテーション後、社内の Matlab コード (v.R2018b) を使用して、大動脈壁の適切なメッシュを生成します。
2. 簡単にするために、一定の厚さを 2.5 mm と仮定します。
3. Rhinoceros 5.0のコマンドを使用して、ステップ1.1.6で前述したように、大動脈根の最終的な3D CADジオメトリを構築します。
4. 大動脈根の体積再構成を商用の有限要素ソルバーにエクスポートし、C3D4四面体要素を使用して離散化します。 補足ファイル1のセクション2を参照してください。

3.石灰化

注:TAVIを正確に再現するには、リーフレットの近くに石灰化を含めます。これらは、ステント拡張のダイナミクスに大きく影響を及ぼす可能性があります。また、ステント拡張の技術的な複雑さや有効性も重要です。

1. 商用の有限要素ソルバー モデルでは、各石灰化をスタンドアロン エンティティとして扱います。
2. キネマティックカップリング制約条件法を使用して、カルシウム堆積物の表面節点をリーフレットの指定された参照節点に接続し、正確な位置合わせを確保します。
3. 補足ファイル1のセクション3、補足図2、および補足図3を参照してください。

4.補綴モデル

注:拡張後にキャプチャされた26 mm TAVデバイスの高解像度マイクロCT画像は、CADソフトウェアを使用して正確な3Dレプリカを作成することにより、デバイスの正確な幾何学的モデルを生成するために採用されています。

1. Rhinoceros 5.0とMatlabを使用してステントフレームのCADモデルを構築します。
2. 2つの異なるプロセスを使用して幾何学的モデルを取得します。
   1. 第1段階:CADソフトウェアのRhinoceros 5.0コマンドを使用して、ステントフレーム、補綴シート、インナースカートの幾何学的な再構築を可能にします。
   2. 第2段階:社内のMatlabコード(https://www.mathworks.com/help/matlab/matlab_prog/create-scripts.html)を使用して、要素メッシュマッピングの解析と応力分布を実行します(図2)。
3. 市販の有限要素ソルバー/Explicit を使用して、カテーテル内のデバイスの圧着ステージを再現し、初期直径 27 mm を徐々に縮小して最終直径 4.7 mm にします。
4. ボクセルサイズが50 mmのデジタルX線画像を、表面再構成用の商用有限要素ソルバーにインポートします(図3、 図4、 図5、 および図6)。リーフレットとステントの間の接触定義を調査して、このデータに基づいて全体的な動作の最も正確な表現を選択します。
5. 摩擦係数の値を0.1(t = 0.1 s)の タイ コンタクトを使用して、リーフレットノードをステントに接続します。
6. TAVリーフレットの形状を下部のダクロンに貼り付け、上部のステント形状に固定します。
7. TAVリーフレットメッシュを4つの異なる領域に分割して、圧力負荷による応力分布を調査します:(i)上部交連、(ii)下部交連、(iii)上部自由リーフレット領域、(iv)下部リーフレット腹領域。
8. 患者の大動脈基部内でバルーン拡張可能な弁の動作を再現するには、硬質な円筒面のノードに均一な半径方向の変位を実装し、内部の拡張バルーンをエミュレートするのに役立ちます。
   注:これは、経カテーテルフレームの圧着構成から開始して行われました。

5. マテリアルモデル

1. ネイティブのリーフレット組織をモデル化します。
   1. 簡略化された等方性の St. Venant-Kirchhoff 材料特性を使用します。これらの特性には、8 MPaの値を持つヤング率Eと0.45のポアソン比vが含まれます。
   2. 6 次低次元多項式構成モデルを使用して、心臓根組織のほぼ非圧縮性の挙動を表す過形成材料¹¹ を記述します。
   3. 大動脈壁とリーフレットについては、E = 8 MPa、v = 0.45、ρ = 1.1 × ^10-9 tons/mm³ を想定します。
   4. 石灰化した組織には、次の値^12,24を使用します:E = 10 MPa、v = 0.35、およびρ = 2 × ^10-9トン/ mm³。
   5. 等方性硬化を伴うフォンミーゼス塑性モデルを使用して、ステントの弾塑性挙動を記述します。
   6. 関連するパラメータには、次の値を使用します: E = 233 GPa;v = 0.35;降伏応力、極限応力、破断変形の点で414 MPa、933 MPa、および44.5%、それぞれ²⁴。

6. シミュレーションの詳細

注:TAVIシミュレーションのコンテキストでは、運動エネルギーと内部エネルギーの比率は全体を通して10%未満にとどまっており、ステント展開の本質的に準静的な性質を反映しています。

1. 大動脈基基部で観察された 生体内 環境を正確に表現するために、ステントの軸に沿った通常の計画に拘束された両肢に予備的な境界条件を課します。このアプローチを採用して、過度の動きを防ぎます。 補足ファイル1を参照してください。
2. さらに、ステントの基部にある節を塞いで、プロテーゼの再開口段階で補綴インプラントの縦方向の並進を妨げます。シミュレーション期間を 0.8 秒に固定し、患者の大動脈根部にステントを配置できるようにします。補足ファイル1、補足図2、補足図3を参照してください。

結果

リーフレット応力に対する圧着効果の評価:一般的な考慮事項
拡張期の補綴尖の応力値は、次の手順の完了後に取得されました:(a)尖の閉鎖は、外面に均一な生理学的圧力(0.005 MPa≈80 mmHg)を加えることによって達成されました。(b)その後、ステントフレームの再拡張により、リーフレットの並置が容易になった。(c)最後に、弁尖は、圧着段階全体を通じて収縮期構成に含まれていました(図6)。使用したFEAソフトウェアはAbaqusでした。圧着シミュレーションに補綴リーフレットを含めずに計算された最大フォンミーゼス応力(「理想」)は、+1.240e+00でした(図6、左パネル)。圧着段階(「Real」)中のリーフレットを含む最大フォンミーゼス応力は、+1.135e+01でした(図6、右パネル)。 最大の応力値は、常に交連アタッチメントゾーンに集中していることが観察されました。圧着段階で補綴...

ディスカッション

S3-TAVの生体力学的性能は、第3世代のデバイスであるデバイスの技術的進歩に関連して評価されています。ただし、この分析では、移植領域に残る継続的な課題と、大動脈環と根または固体のかさばる石灰化の形状も考慮に入れられています。本研究は、26 mm S3-TAV で発生する最大および最小の主応力が、交連ステント支柱および交連に隣接する架橋ステントのすぐ隣に位置する細胞に局在することを示しています。

さらに、弁尖がステントに付着している交連でも同じ応力が発生することが観察されます。耐久性の観点からは、ステントのストレスよりもリーフレットのストレスの方が大きな懸念事項です。これは、ステント材料がかなり強度が高く、骨折しにくいのに対し、弁の故障は通常、弁尖の裂け目や石灰化によって引き起こされるためです。力学では、主応力は引張/引き裂き力(最大応力)と圧縮/曲げ力(最小応力)として定義されます。高ストレスの領域は、石灰化と弁尖変性の両方の開始部位として相関しているため、両方のストレスが考慮されることは臨床的に重要です

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
アバクス・	ダッソー・システムèmes (Simulia、プロビデンス、ロードアイランド州、米国)	2017	商用有限要素ソルバー
Edwards SAPIEN 3 バルブ	フォルニア州アーバインにある Edwards Lifesciences, Inc.	https://www.edwards.com/healthcare-professionals/products-services/transcatheter-heart/transcatheter-sapien-3-ultra	Sapien バルブ
ITK-SNAP	www.itksnap.org	バージョン 3.6	術前 DICOM 画像での解剖学的構造の識別
Matlab	Mathworks Inc.、米国マサチューセッツ州ネイティック)	v.R2018b	大動脈壁の適切なメッシュを生成する
MicroCT-40	Scanco Medical AG、バーゼル、スイス		デスクトップ コーン ビーム マイクロコンピューター断層撮影スキャナー
Revolution Apex	GE Healthcare、米国イリノイ州シカゴデュアル	ソースコンピューター断層撮影スキャナー
サイ	McNee and Associates、米国ワシントン州シアトル バージョン	5.0	的な 3D コンピュータ支援設計の構築