다음 프로토콜은 26mm SAPIEN 3 밸브의 구조적 무결성에 대한 체계적 압력 하중의 영향을 평가하기 위해 수행된 시뮬레이션을 간략하게 설명합니다. 응력 수준은 유한 요소 해석을 활용하여 결정되었으며, 이는 압착 단계 동안 가장 높은 응력이 커미셔널 팁에 집중되어 있음을 나타냅니다.
방법 논문
다음 프로토콜은 26mm SAPIEN 3 밸브의 구조적 무결성에 대한 체계적 압력 하중의 영향을 평가하기 위해 수행된 시뮬레이션을 간략하게 설명합니다. 응력 수준은 유한 요소 해석을 활용하여 결정되었으며, 이는 압착 단계 동안 가장 높은 응력이 커미셔널 팁에 집중되어 있음을 나타냅니다.
이 연구는 칼슘에 대한 상승된 Agatston 점수 지수로 정의되는 대동맥 석회화가 있는 상태에서 3세대 풍선 확장 경피적 대동맥 판막이 경험하는 기계적 스트레스를 확인하는 것을 목표로 했습니다. 조사 대상 장치는 26mm 상용 장치인 Edwards SAPIEN 3 밸브(이하 S3-TAV라고 함)였습니다. 5 단계가 수행되었습니다. 첫 번째는 장치의 3차원(3D) CAD(Computer-Aided Design) 모델을 재구성하는 것이었습니다. 두 번째는 압착 및 재개방 공정의 시뮬레이션이었습니다. 세 번째는 전단지 응력에 대한 압착 효과를 평가하고 이상적인 조건과 비교하는 것이었습니다. 네 번째는 실제 임상 사례의 시뮬레이션이었습니다. 마지막으로, 연구의 후속 단계에서는 시뮬레이션 결과의 사후 처리 및 후속 데이터와의 비교가 수반됩니다. 고해상도 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 스캔을 사용하여 스텐트와 판막의 정확한 3D 기하학적 메쉬를 개발했습니다. 전단지의 재료 특성은 외과용 생체 보철물에서 파생되었습니다. 스텐트의 재료 특성은 코발트-크롬의 특성을 기반으로 했습니다. 구조물에 대한 체계적인 압력 하중의 영향을 평가하기 위해 일련의 시뮬레이션이 수행되었습니다. 응력은 유한 요소 해석의 적용을 통해 정량화되었습니다. 고해상도 스캔에서 파생된 정확한 형상을 사용하여 수행된 밸브의 응력 분석은 압착 단계 동안의 최대 응력이 첨판이 부착된 커미셔널 팁에 집중되어 있음을 보여주었습니다. 이 부위는 혈전증과 퇴행이 발생할 가능성이 가장 높은 부위로 확인되었습니다. 장치 확장에 따른 부피가 큰 석회화가 지속되면 판막 주위 누출(PVL)이 형성되며, 이는 혈전증 및 구조적 판막 퇴행의 전조 역할을 합니다.
경피적 대동맥 판막 이식술(TAVI)은 특히 수술을 받을 위험이 중간 또는 높은 환자나 외과적 개입이 불가능한 환자에서 중증 대동맥 협착증(AS)에 효과적인 치료법으로 입증되었습니다 1,2,3,4. SAPIEN 3은 3세대 경피적 풍선 확장 대동맥 판막(TAV)을 대표합니다. 처음에는 2014 년 1 월 유럽에서 잠정적으로 상업적으로 출시되었으며 이후 2015 년 6 월 미국에서 출시되었습니다. 이 판막은 미국 식품의약국(FDA)의 적응증 확대, 즉 중증 AS 증상이 있는 중간 위험 수술 환자에 대한 승인을 받은 선구적인 TAVI 장치였습니다. 이전의 SAPIEN XT(이하 S-XT라고 함) 반복과 비교하여 설계에서 주목할 만한 개선 사항은 스텐트의 기저 측면에 외부 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 밀봉 커프가 통합된 것입니다. 이 혁신은 판막주위 누출(PVL)의 발생을 현저히 줄였습니다. 또한, 환형이 작은 환자에게 보다 편리한 시술을 제공하고 판막 내 판막 이식에서 우수한 성능을 제공하기 위해 표준 23mm, 26mm 및 29mm 크기에 추가로 20mm 직경의 S3-TAV가 개발되었습니다. S3-TAV 스텐트 구성의 대대적인 구조 조정으로 인해 임상적 의미에 눈에 띄는 변화가 발생했습니다. 주름진 밸브는 현저히 감소된 프로파일을 보여 14F 또는 16F 확장 가능한 피복 내에 쉽게 삽입할 수 있었습니다. 또한, 스텐트는 말단 끝에 더 많은 수의 세포를 포함하고 있어 스트럿을 통한 후속 경피적 관상동맥 중재술을 용이하게 했습니다. 마지막으로, 스텐트의 전체 길이를 증가시켰다5. 일상적인 경대퇴 경피적 접근을 허용하는 스텐트 구성의 출현은 TAVI의 혈관 접근에 있어 상당한 발전을 나타냅니다.
일반적으로 옥토제너레이터인 고위험군과 수술 불능자를 대상으로 한 기존 임상시험에서는 TAVI 내구성에 대한 우려가 중요한 문제가 아니었습니다 6,7,8,9,10,11,12. 그럼에도 불구하고, 위험이 낮고 연령이 더 어린 환자들이 연구에 포함됨에 따라, TAVI 지속성 문제는 점점 더 중요해지고 있다. 대동맥 경피적 판막의 배치(PARTNER) 3 임상시험은 대동맥 협착증(AS)을 앓고 있는 저위험 수술 환자에서 S3-TAV의 안전성과 효능을 평가하기 위해 2016년 4월에 모집을 시작했습니다13. 밸브의 내구성은 설계의 직접적인 영향을 받습니다. 고조된 소엽 스트레스는 석회질 변성 및 찢어짐을 보이는 영역과 매우 가까운 영역에서 발견될 수 있는 것으로 확인되었으며, 이는 혈전증 합병증과 관련이 있을 가능성이 있습니다 14,15,16,17,18,19,20,21,22. 결과적으로, TAV의 상대적 내구성에 대한 의미 있는 비교를 수행하기 위해서는 TAV 소총 응력과 관련된 특성을 이해하는 것이 필수적이며, 이는 다른 장치 또는 생체 보철물과 비교하여 수행됩니다. 이전 연구에서는 풍선 확장 경피적 심장 판막(TEHV)과 자가 팽창 TEHV 20,21,23,24의 첨판에 대한 기계적 응력을 평가하기 위해 유한 요소 분석(FEA) 방법론을 사용했습니다.
FEA는 정교한 생물학적 구조와 관련된 필수 데이터를 결정하기 위해 확고하게 확립된 방법론을 구성하며, 이 접근 방식이 없었다면 생체 내에서 직접 측정하는 것은 불가능했을 것입니다. FEA는 응력 추정 및 고장 모드 결정을 통해 인실리코(in silico)로 장치 내구성을 결정하는 데 사용될 때 생리학적 연구에서 매우 유용한 도구입니다. 정확한 유한 요소 모델을 생성하려면 압력이 0인 상태에서 형상을 정밀하게 3D로 표현하고 어셈블리, 재료 속성 및 생리학적 하중 조건에 대한 포괄적인 이해가 필요합니다. 판막 설계에 대한 상당한 수정을 감안할 때, 가장 최근의 3세대 풍선 팽창 TAV에 대한 응력 분포는 대동맥 판막 석회화의 맥락에서 아직 확립되지 않았습니다25,26.
이 연구의 목적은 26mm S3-TAV에서 TAV 스텐트 및 소엽이 경험하는 응력을 확인하는 것이었습니다. 두 번째 단계는 S3-TAV 26mm 시스템으로 경피적 대동맥 판막 이식 시술을 받은 대동맥 판막 협착증 환자 2명에서 경피적 심장 판막 협착증 환자 2명에서 경피적 심장 판막(THV) 이식 후 첨판과 스텐트에 발생할 수 있는 전향적 구조적 변형을 조사하기 위해 컴퓨터 생체 역학 모델을 활용하는 것이었습니다. 그 후, 장치에서 발생했을 수 있는 잠재적인 합병증은 두 가지 임상 사례 연구에서 평가되었습니다.
이 연구에서는 마이크로 컴퓨터 단층 촬영(Micro-CT) 재구성에서 얻은 데이터를 기반으로 칼슘 플라크를 모델링합니다. 이 연구의 네 가지 구체적인 목표가 있습니다 : (1) 장치 재구성의 3D CAD (3D Computer-Aided Design) 모델 개발. (2) 압착의 영향 평가와 보철 전단지를 사용하거나 사용하지 않고 재개하는 시뮬레이션. (3) 전단지가 받는 응력에 대한 압착의 효과를 평가합니다. (4) 완전한 임상 절차를 복제합니다. 연구의 후속 단계에서는 시뮬레이션 결과의 후처리 및 후속 데이터 3,4와의 비교가 필요합니다(그림 1).
TAVI의 사실적인 시뮬레이션을 위해 임상실습과 연계된 체계적인 접근을 제안한다. 목표는 문제의 특정 해부학적 특징과 관련하여 보철물의 수술 후 성능을 예측하는 것입니다. 조사 장치는 환자로부터 얻은 26mm S3-TAV였으며 외경이 25.8mm, 높이가 20mm였습니다.
TAV 어셈블리는 소 심낭 소엽, 코발트-크롬 스텐트, Dacron 덮개 및 외부 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 밀봉 스커트의 4가지 구성 요소로 구성됩니다. 다양한 구성 요소 간의 물리적 치수와 봉합사 접합부가 기록되어 연결이 있는 어셈블리의 정확한 모델링을 용이하게 합니다. 장치를 나타내는 3D 메쉬가 개발되고 유한 요소 명시적 솔버를 사용하여 FEA가 적용됩니다. FEA의 후처리 및 데이터 분석은 소판과 스텐트가 받는 응력을 측정합니다(그림 2).
제공된 예는 TAVI를 받은 두 명의 환자를 강조합니다. 두 환자는 중증 AS를 보였으며 합병증 위험이 더 높은 것으로 간주되었습니다. 두 환자 모두 경대퇴골 접근을 통해 TAVI를 받았습니다. 두 경우 모두 CT 데이터를 사용하여 수술 전 계획을 수립했으며, 이는 가상 링의 평가와 지침 3,4에 따른 이상적인 접근 방식의 평가를 기반으로 한 장치 선택에 대한 현재 표준 방법론을 나타냅니다.
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연구를 위한 이러한 데이터의 사용은 기관 검토 위원회(Institutional Review Board)의 승인을 받았으며 환자 동의는 면제되었습니다. IRB ID: 202201057, IRB에서 할당한 승인 번호: IRB-MTP_2022_03_202201057; ClinicalTrials.gov ID: NCT05261204.
참고: 프로토콜에 대한 요약은 표 1에 나와 있습니다.
1. 장치 바이오모델링 연구 조사
2. 네이티브 대동맥근 모델
3. 석회화
참고: TAVI를 정확하게 재현하려면 전단지 가까이에 석회화를 포함하십시오. 이는 시술의 기술적 복잡성 및 효능과 함께 스텐트 확장의 역학에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
4. 보철 모델
참고: 확장 후 캡처된 26mm TAV 장치의 고해상도 마이크로 CT 이미지는 CAD 소프트웨어를 사용하여 정확한 3D 복제본을 생성함으로써 장치의 정밀한 기하학적 모델을 생성하는 데 사용되었습니다.
5. 재료 모델
6. 시뮬레이션 세부 정보
참고: TAVI 시뮬레이션의 맥락에서 운동 에너지와 내부 에너지 간의 비율은 전체적으로 10% 미만으로 유지되었으며, 이는 스텐트 배포의 본질적으로 준정적 특성을 반영합니다.
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전단지 응력에 대한 압착 효과 평가: 일반적인 고려 사항
확장기 단계에서 보철 소엽에 대한 응력 값은 다음 단계를 완료한 후 구했습니다: (a) 소엽 폐쇄는 외부 표면에 균일한 생리적 압력(0.005 MPa ≈80 mmHg)을 가하여 달성되었습니다. (b) 그런 다음 스텐트 프레임의 재확장에 의해 소엽 부착이 촉진되었습니다. (c) 마지막으로, 소엽은 압착 단계 전반에 걸쳐 수축기 구성에 포함되었습니다(그림 6). 사용된 FEA 소프트웨어는 Abaqus였습니다. 압착 시뮬레이션("이상적")에 보철 전단지를 포함하지 않고 계산된 최대 von Mises 응력은 +1.240e+00이었습니다(그림 6, 왼쪽 패널). 압착 단계("실제")의 전단지를 포함한 최대 폰 미제스 응력은 +1.135e+01이었다(그림 6, 오른쪽 패널)....
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S3-TAV의 생체 역학적 성능은 이러한 장치의 3 세대를 대표하는 장치의 기술 발전과 관련하여 평가되었습니다. 그러나 이 분석은 또한 이식 부위에 남아 있는 지속적인 문제와 대동맥 고리 및 뿌리 또는 단단한 부피가 큰 석회화의 기하학적 구조를 고려했습니다. 본 연구는 26mm S3-TAV에서 발생하는 최대 및 최소 주응력이 커미셔널 스텐트 포스트 및 커미셔너에 인접한 가교 스텐트에 바로 인접한 세포에 국한되어 있음을 보여줍니다.
또한, 첨판이 스텐트에 부착되는 commissures에서 동일한 응력이 발생하는 것이 관찰됩니다. 내구성의 관점에서 볼 때, 첨판 스트레스는 스텐트 스트레스보다 더 중요한 관심사입니다. 이는 스텐트 재료가 훨씬 더 강하고 골절에 덜 취약한 반면, 판막 고장은 일반적으로 첨판 찢어짐 또는 석회화로 인해 발생하기 때문입니다. 역학에서 주 응력은 인장/인열력(최대 응력) 및 압축/굽힘력(최소 응력)...
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줄리앙 드레이퍼스 박사는 Abbott, Edwards-Lifescience 및 Jenscare로부터 컨설팅 비용을 받습니다. 나머지 저자는 이해 상충이 없습니다.
저자는 정말 훌륭한 친구이자 동료인 필립 귀용에게 깊은 감사를 표하고 싶습니다. Philippe의 귀중한 전문 지식과 선견지명으로 이 기사가 현실이 되었으며, 이에 대해 우리는 대단히 감사합니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| Abaqus | Dassault Systè mes(Simulia, Providence, RI, USA) | 2017 | 상용 유한 요소 솔버 |
| Edwards SAPIEN 3 밸브 | 리포니아 어바인의 Edwards Lifesciences, Inc. | https://www.edwards.com/healthcare-professionals/products-services/transcatheter-heart/transcatheter-sapien-3-ultra | Sapien 밸브 연구 |
| ITK-SNAP | www.itksnap.org | 버전 3.6 | 수술 전 DICOM 이미지에서 해부학적 구조 식별 |
| Matlab | Mathworks Inc., Natick, MA, USA) | v.R2018b | 대동맥벽의 적절한 메쉬 생성 |
| MicroCT-40 | Scanco Medical AG, 바젤, 스위스 | 데스크탑 콘빔 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 스캐너 | |
| Revolution Apex | GE Healthcare, Chicago, Illinois, USA | 이중 소스 컴퓨터 단층 촬영 스캐너 | |
| 코뿔소 | McNee and Associates, Seattle, WA, USA | 버전 5.0 | 최종 3D 컴퓨터 지원 설계 구성 |
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