Medindo o estresse em uma válvula aórtica expansível por balão de terceira geração durante a expansão

Resumo

O protocolo a seguir descreve simulações realizadas para avaliar a influência da carga de pressão sistêmica na integridade estrutural de uma válvula SAPIEN 3 de 26 mm. O nível de tensão foi determinado utilizando análises de elementos finitos, que indicaram que as maiores tensões durante a fase de crimpagem estavam concentradas nas pontas comissurais.

Resumo

O objetivo deste estudo foi determinar as tensões mecânicas sofridas pelas valvas aórticas transcateter expansíveis por balão de terceira geração na presença de calcificação aórtica, definidas por um índice elevado de escore de Agatston para cálcio. O dispositivo sob investigação era a válvula Edwards SAPIEN 3 (doravante denominada S3-TAV), um dispositivo comercial de 26 mm. Cinco etapas foram realizadas. A primeira foi a reconstrução do modelo tridimensional (3D) de desenho assistido por computador (CAD) do dispositivo. O segundo foi uma simulação do processo de crimpagem e reabertura. O terceiro foi avaliar o efeito de crimpagem na tensão do folheto e uma comparação com uma condição ideal. O quarto foi uma simulação de casos clínicos reais. Finalmente, a fase subsequente do estudo envolve o pós-processamento dos resultados da simulação e uma comparação com os dados de acompanhamento. Uma microtomografia computadorizada de alta resolução foi usada para desenvolver uma malha geométrica 3D precisa do stent e da válvula. As propriedades materiais dos folhetos foram derivadas de biopróteses cirúrgicas; As propriedades do material dos stents foram baseadas nas do cobalto-cromo. Uma série de simulações foi realizada para avaliar o impacto da carga de pressão sistêmica na estrutura. A tensão foi quantificada através da aplicação de análises de elementos finitos. Uma análise de tensão da válvula, conduzida usando geometria exata derivada de varreduras de alta resolução, revelou que as tensões de pico durante a fase de crimpagem estavam concentradas nas pontas comissurais, onde os folhetos foram fixados. Essas regiões foram identificadas como os locais mais prováveis de trombose e degeneração. A persistência de calcificações volumosas após a expansão do dispositivo resulta na formação de vazamentos paravalvares (LPV), que atuam como precursores de trombose e degeneração valvar estrutural.

Introdução

O implante percutâneo da valva aórtica (TAVI) tem demonstrado ser um tratamento eficaz para a estenose aórtica grave (EA), particularmente em pacientes com risco intermediário ou alto de serem submetidos à cirurgia ou naqueles que não são elegíveis para intervenção cirúrgica 1,2,3,4. O SAPIEN 3 representa a terceira geração de válvulas aórticas expansíveis por balão transcateter (TAVs). Foi inicialmente lançado para uso comercial provisório na Europa em janeiro de 2014 e, posteriormente, nos Estados Unidos em junho de 2015. A válvula foi o dispositivo TAVI pioneiro a ser aprovado pela Food and Drug Administration (FDA) dos Estados Unidos para uma indicação expandida, ou seja, pacientes cirúrgicos de risco intermediário com EA sintomática grave. Um aprimoramento notável no design em comparação com a iteração anterior do SAPIEN XT (doravante conhecido como S-XT) foi a integração de um manguito de vedação externo de tereftalato de polietileno (PET) no aspecto basal do stent. Essa inovação reduziu acentuadamente a ocorrência de vazamento paravalvar (LPV). Além disso, a fim de acomodar procedimentos mais convenientes em pacientes com anulos menores e proporcionar desempenho superior em implantes valve-in-valve, um S3-TAV de 20 mm de diâmetro foi desenvolvido além dos tamanhos padrão de 23 mm, 26 mm e 29 mm. Uma reestruturação significativa da configuração do stent S3-TAV resultou em mudanças notáveis em suas implicações clínicas. A válvula crimpada exibiu um perfil marcadamente diminuído, facilitando assim sua inserção dentro de uma bainha expansível 14F ou 16F. Além disso, o stent incluía um maior número de células em sua extremidade distal, o que facilitou as intervenções coronárias percutâneas subsequentes através das hastes. Finalmente, o comprimento total do stent foi aumentado⁵. O advento de configurações de stents que permitem o acesso percutâneo transfemoral de rotina representa um avanço significativo no acesso vascular para TAVI.

Nos ensaios clínicos originais envolvendo indivíduos de alto risco e inoperáveis, que eram tipicamente octogenários, as preocupações com a durabilidade do TAVI não foram um problema significativo 6,7,8,9,10,11,12. No entanto, à medida que pacientes de menor risco e idade mais jovem são incluídos no estudo, a questão da durabilidade do TAVI torna-se cada vez mais pertinente. O estudo Placement of Aortic Transcatheter Valves (PARTNER) 3 iniciou o recrutamento em abril de 2016 com o objetivo de avaliar a segurança e eficácia do S3-TAV em pacientes cirúrgicos de baixo risco com estenose aórtica (EA)¹³. A durabilidade de uma válvula é diretamente influenciada por seu design. Foi determinado que tensões elevadas de folhetos podem ser encontradas em regiões próximas a áreas que exibem degeneração calcificada e lacrimejamento, que têm o potencial de estar implicadas em complicações de trombose 14,15,16,17,18,19,20,21,22. Consequentemente, uma avaliação das características associadas às tensões dos folhetos do TAV é essencial para que uma comparação significativa da durabilidade relativa dos TAVs seja realizada em comparação com outros dispositivos ou biopróteses. Em estudos anteriores, a metodologia de análise de elementos finitos (FEA) foi empregada para a avaliação de tensões mecânicas nos folhetos de válvulas cardíacas transcateter expansíveis por balão (TEHVs) e TEHVs autoexpansíveis 20,21,23,24.

O FEA constitui uma metodologia firmemente estabelecida para a determinação de dados indispensáveis relativos a estruturas biológicas sofisticadas, que permaneceriam inviáveis de medir diretamente in vivo se não fosse por essa abordagem. O FEA é uma ferramenta altamente valiosa em estudos fisiológicos quando empregado para determinar a durabilidade do dispositivo in silico por meio da estimativa de tensão e determinação do modo de falha. Para criar modelos precisos de elementos finitos, é necessário ter uma representação 3D precisa da geometria em um estado de pressão zero, uma compreensão abrangente da montagem, das propriedades do material e das condições fisiológicas de carregamento. Dadas as revisões substanciais no desenho da válvula, a distribuição de tensões no TAV expansível por balão de terceira geração mais recente, quando presente, ainda não foi estabelecida no contexto da calcificação da valva aórtica^25,26.

O objetivo deste estudo foi verificar as tensões sofridas pelos stents e folhetos TAV em um S3-TAV de 26 mm. A segunda etapa envolveu a utilização de um modelo biomecânico computacional para examinar as modificações estruturais prospectivas que podem ocorrer nos folhetos e no stent após o implante percutâneo da valva cardíaca (THV) em dois pacientes com estenose valvar aórtica submetidos a um procedimento percutâneo de implante valvar aórtico com o sistema S3-TAV 26 mm. Posteriormente, as possíveis complicações que podem ter se desenvolvido com o dispositivo foram avaliadas em dois estudos de caso clínico.

Neste estudo, as placas de cálcio são modeladas com base nos dados obtidos da reconstrução por microtomografia computadorizada (Micro-CT). Existem quatro objetivos específicos do estudo: (1) desenvolver um modelo tridimensional de desenho assistido por computador (CAD 3D) da reconstrução do dispositivo. (2) Avaliação do impacto da crimpagem e da simulação de reabertura com e sem folhetos protéticos. (3) Avaliar o efeito da crimpagem no estresse experimentado pelos folhetos. (4) Replicar o procedimento clínico completo. A fase subsequente do estudo requer o pós-processamento dos resultados da simulação e uma comparação com os dados de acompanhamento ^3,4 (Figura 1).

Uma abordagem sistemática é proposta para a simulação realista do TAVI, que está alinhada com a prática clínica. O objetivo é prever o desempenho pós-operatório da prótese em relação às características anatômicas específicas em questão. O dispositivo experimental foi um S3-TAV de 26 mm obtido de um paciente e medindo 25,8 mm de diâmetro externo e 20 mm de altura.

O conjunto TAV consiste em quatro componentes: folhetos de pericárdio bovino, stent de cromo-cobalto, cobertura de Dacron e saia externa de vedação de tereftalato de polietileno (PET). As dimensões físicas e as junções de sutura entre os vários componentes são registradas para facilitar a modelagem precisa do conjunto com suas conexões. Uma malha 3D representando o aparelho é desenvolvida, seguida pela aplicação de um FEA usando um solucionador explícito de elementos finitos. O pós-processamento do FEA e a análise dos dados determinam as tensões sofridas pelos folhetos e pelo stent (Figura 2).

O exemplo fornecido destaca dois pacientes que foram submetidos a TAVI. Os dois pacientes apresentavam EA grave e foram considerados de maior risco para complicações. Ambos os pacientes foram submetidos a TAVI por acesso femoral. O planejamento pré-operatório foi iniciado em ambos os casos usando dados de TC, que representa a metodologia padrão atual para seleção de dispositivos com base na avaliação do anel virtual e na avaliação da abordagem ideal de acordo com as diretrizes ^3,4.

Protocolo

O uso desses dados para pesquisa foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa, dispensado o consentimento do paciente. ID do IRB: 202201057, Número de aprovação atribuído pelo IRB: IRB-MTP_2022_03_202201057; ClinicalTrials.gov ID: NCT05261204.

NOTA: Um resumo do protocolo é fornecido na Tabela 1.

1. Estudo de biomodelagem de dispositivos investigado

1. Estudo de biomodelismo computorizado
   NOTA: Um paciente apresentou um mau funcionamento atribuível a um PVL. O dispositivo foi posteriormente removido e utilizado para o estudo biomecânico.
   1. Realize uma microtomografia computadorizada para o paciente em questão.
   2. Comparar dados de imagem de TC obtidos do modelo de elementos finitos (FEM) usando um modelo semelhante de dois pacientes controle. Para verificar a exatidão e precisão dos dados de simulação do dispositivo, faça uma análise comparativa com os dados obtidos em uma tomografia computadorizada de controle. Crie um modelo CAD 3D do dispositivo usando o dispositivo real explantado como referência (Figura 2A).
   3. Realize imagens do S3-TAV de 26 mm com um scanner de microtomografia computadorizada de feixe cônico de mesa (micro CT -40) em várias orientações, incluindo seções longitudinais através do eixo curto para visualizar os folhetos da válvula e o eixo longo para facilitar a reconstrução da estrutura do stent.
   4. Além disso, empregue diferentes intensidades para facilitar a diferenciação entre as geometrias do stent e do folheto valvar. Use as seguintes configurações para a varredura: Uma energia de 45 kVp, uma corrente de 200 mA, um filtro de alumínio de 0,5 mm, um campo de visão de 50 mm, um tamanho de voxel de 50 mm e um tempo de integração de 200 ms para o exame de raios-X.
   5. Importe as imagens radiográficas digitais, com um tamanho de voxel de 50 mm, para o Abaqus (solucionador comercial de elementos finitos) 2017, um programa de software de código aberto para reconstrução de superfícies.
   6. Obter o modelo geométrico através de dois processos distintos.
      1. Primeiro, reconstrua geometricamente a armação do stent, as folhas protéticas e a saia interna usando os comandos do software CAD Rhinoceros 5.0.
         NOTA: Os modelos CAD das armações dos stents foram criados usando o software Rhinoceros 5.0, e as fases de crimpagem dos dispositivos e seus cateteres foram reproduzidas usando o software comercial de solucionador de elementos finitos/Explicit do MatLab. Esse processo envolveu a redução gradual dos diâmetros iniciais dos cateteres de 27 mm até atingirem seu tamanho final de 4,7 mm. O comportamento da válvula expansível por balão dentro da raiz aórtica do paciente foi replicado usando um deslocamento radial padronizado aplicado aos nódulos de um modelo cilíndrico fixo projetado para replicar o balão expansível interno. Este processo começou com a configuração crimpada da estrutura transcateter.
      2. Posteriormente, defina as propriedades do FEM.
         NOTA: O comportamento elastoplástico compreende um modelo de plasticidade de von Mises com endurecimento isotrópico, um modelo hiperplásico isotrópico (potencial de deformação-energia: Ogden, 1ª ordem), um modelo elástico isotrópico e, finalmente, uma malha composta por 89.718 elementos. Estes são subdivididos em elementos de folheto e saia (41.154 elementos S4R) e elementos de moldura (48.564 elementos C3D8R) (Figura 2B).
   7. Realize exames de tomografia computadorizada pré-operatória (Centre Cardiologique du Nord, Saint Denis, França) usando um scanner de tomografia computadorizada de fonte dupla. Para obter imagens com contraste aprimorado, injete um agente de contraste iodado. Os principais parâmetros de varredura para TC cardíaca incluem axial misto fechado e helicoidal não fechado, 120 kV, smart mA, produto dose-comprimento (DLP) 475 mGy.cm, índice de massa corporal (IMC) 26, 70-96 batimentos por minuto (bpm) e tempo de aquisição 6,8 s (Figura Suplementar 1).
   8. Use o solucionador de elementos finitos comercial (https://www.suse.com/pcsc/viewVersionPage?versionID=17782) para criar um FEM de válvula aórtica, conforme relatado nas etapas 1.1.3-1.1.7. (Figura 2, Figura 3 e Figura 4).
      NOTA: A Tabela 2 apresenta um resumo dos testes realizados de simulação de crimpagem e reabertura.
   9. Use esses modelos em simulações envolvendo crimpagem de stent e implantes de próteses dentro das raízes nativas.
   10. Para criar modelos geométricos específicos do paciente do complexo da válvula aórtica, utilize um TAV recuperado, garantindo propriedades precisas do material.
       NOTA: A simulação TAVI incluiu as seguintes etapas: (i) Pré-processamento das imagens médicas; (ii) Identificar modelos apropriados para análise; (iii) Simulação do procedimento com base nos dados adquiridos; (iv) Pós-processamento dos resultados da simulação.

2. Modelo nativo da raiz da aorta

1. Use o software ITK-SNAP 3.6 (acessível via 20, 2021) para identificar as principais características anatômicas da raiz aórtica do paciente a partir de imagens DICOM pré-operatórias e gerar reconstruções tridimensionais (Segmentação).
   1. Processe os conjuntos de dados de TC usando o ITK-Snap v2.4.
   2. Extraia uma região de interesse confinada (ou seja, a raiz da aorta do fluxo de saída do ventrículo esquerdo para a junção sinotubular) de todo o corpo reconstruído, explorando os recursos de realce, corte e segmentação de contraste do software.
      1. Empregue o software ITK-Snap v.2.4 para a extração da representação da estereolitografia (STL) da raiz da aorta e depósitos calcificados de imagens de TC.
      2. Processe o arquivo STL e gere a malha de elementos finitos da raiz aórtica usando um código interno personalizado. Modele os folíolos nativos com elementos de concha sob a suposição de uma espessura uniforme de 2,5 mm^23,25.
         NOTA: Consulte a seção 1 do Arquivo Suplementar 1 12,20,23,25,26 para obter mais detalhes.
   3. Após a segmentação, use um código Matlab interno (v.R2018b) para gerar uma malha adequada da parede da aorta.
2. Assuma uma espessura constante de 2,5 mm para simplificar.
3. Empregue os comandos do Rhinoceros 5.0 para construir uma geometria CAD 3D definitiva da raiz da aorta, conforme descrito anteriormente na etapa 1.1.6.
4. Exporte a reconstrução volumétrica da raiz da aorta para o solucionador de elementos finitos comercial para discretização usando elementos tetraédricos C3D4. Consulte a seção 2 do Arquivo Suplementar 1.

3. Calcificações

NOTA: Para reencenar com precisão o TAVI, inclua calcificações próximas ao folheto. Isso pode afetar significativamente a dinâmica da expansão do stent, juntamente com a complexidade técnica e a eficácia do procedimento.

1. Para o modelo comercial de solucionador de elementos finitos, trate cada calcificação como uma entidade independente.
2. Use uma técnica de restrição de acoplamento cinemático, conectando os nós superficiais dos depósitos de cálcio aos nós de referência designados dos folhetos para garantir um alinhamento preciso.
3. Consulte a seção 3 do Arquivo Suplementar 1, Figura Suplementar 2 e Figura Suplementar 3.

4. Modelo protético

NOTA: Imagens de micro-CT de alta resolução dos dispositivos TAV de 26 mm, capturadas após a expansão, foram empregadas para gerar modelos geométricos precisos dos dispositivos por meio da criação de réplicas 3D precisas usando software CAD.

1. Construa modelos CAD das armações do stent usando Rhinoceros 5.0 e Matlab.
2. Obtenha o modelo geométrico usando dois processos distintos.
   1. Primeira etapa: Utilizar os comandos do software CAD Rhinoceros 5.0, permitindo a reconstrução geométrica da armação do stent, das folhas protéticas e da saia interna.
   2. Segunda etapa: Realizar a análise e distribuição de tensões no mapeamento da malha de elementos pelo código Matlab interno (https://www.mathworks.com/help/matlab/matlab_prog/create-scripts.html) (Figura 2).
3. Use o solucionador de elementos finitos comercial/Explicit para replicar os estágios de crimpagem do dispositivo dentro dos cateteres, com o diâmetro inicial de 27 mm gradualmente reduzido para o diâmetro final de 4,7 mm.
4. Importe as imagens radiográficas digitais, com um tamanho de voxel de 50 mm, para o solucionador de elementos finitos comercial para reconstrução de superfície (Figura 3, Figura 4, Figura 5 e Figura 6). Investigue as definições de contato entre os folhetos e o stent para escolher a representação mais precisa do comportamento geral com base nesses dados.
5. Conecte os nódulos do folheto ao stent usando um contato de amarração , com um valor de coeficiente de atrito de 0,1 (t = 0,1 s).
6. Afixe as geometrias do folheto TAV no Dacron na parte inferior e prenda-o na geometria do stent na parte superior.
7. Divida a malha do folheto TAV em quatro regiões distintas para estudar a distribuição de tensões devido à carga de pressão: (i) comissura superior, (ii) comissura inferior, (iii) região superior do folheto livre, (iv) região inferior do ventre do folheto.
8. Para replicar o comportamento da válvula expansível por balão dentro da raiz aórtica do paciente, implemente um deslocamento radial uniforme nos nós de uma superfície cilíndrica rígida, que serve para emular o balão expansível interno.
   NOTA: Isso foi feito a partir da configuração crimpada da estrutura transcateter.

5. Modelos de materiais

1. Modele os tecidos nativos do folheto.
   1. Use propriedades de material isotrópicas simplificadas de St. Venant-Kirchhoff. Essas propriedades incluem o módulo E de Young com um valor de 8 MPa e um coeficiente de Poisson v de 0,45.
   2. Use um modelo constitutivo polinomial reduzido de seis ordens para descrever o material hiperplásico¹¹, que representa o comportamento quase incompressível do tecido radicular cardíaco.
   3. Para a parede e os folhetos da aorta, assumir um E = 8 MPa, v = 0,45 e ρ = 1,1 × ^10-9 toneladas/mm³.
   4. Para os tecidos calcificados, utilizar os seguintes valores^12,24: E = 10 MPa, v = 0,35 e ρ = 2 × ^10-9 tons/mm 3.
   5. Use o modelo de plasticidade de von Mises com endurecimento isotrópico para descrever o comportamento elastoplástico do stent.
   6. Use os seguintes valores para os parâmetros relevantes: E = 233 GPa; v = 0,35; 414 MPa, 933 MPa e 44,5% em termos de tensão de escoamento, tensão final e deformação na ruptura, respectivamente²⁴.

6. Detalhes da simulação

NOTA: No contexto das simulações TAVI, a relação entre a energia cinética e a energia interna permaneceu abaixo de 10%, refletindo a natureza essencialmente quase estática da implantação do stent.

1. Para garantir uma representação precisa do ambiente in vivo observado nas raízes da aorta, impor condições preliminares de contorno em ambas as extremidades que foram restringidas a um plano normal alinhado com o eixo dos stents. Empregue essa abordagem para evitar movimentos excessivos. Consulte o Arquivo Suplementar 1.
2. Além disso, obstruir os nódulos na base dos stents para impedir a translação longitudinal dos implantes protéticos durante a fase de reabertura da prótese. Fixe o período de tempo de simulação em 0,8 s, permitindo assim a implantação de stents dentro da raiz aórtica dos pacientes. Consulte o Arquivo Suplementar 1, a Figura Suplementar 2 e a Figura Suplementar 3.

Resultados

Avaliação do efeito de crimpagem na tensão do folheto: consideração geral
Os valores de estresse nos folhetos protéticos na fase diastólica foram obtidos após a conclusão das seguintes etapas: (a) O fechamento dos folhetos foi obtido aplicando-se pressão fisiológica uniforme (0,005 MPa ≈80 mmHg) em sua superfície externa. (b) A aposição dos folhetos foi então facilitada pela reexpansão da estrutura do stent. (c) Por fim, os folhetos foram incluídos em configuração sistólica durante toda a fase de crim...

Discussão

O desempenho biomecânico do S3-TAV tem sido avaliado em relação aos avanços tecnológicos do dispositivo, que representam uma terceira geração desses dispositivos. No entanto, esta análise também levou em consideração os desafios contínuos que permanecem na região de implantação e a geometria do anel aórtico e a calcificação volumosa da raiz ou sólida. O presente estudo demonstra que as tensões principais máximas e mínimas que ocorrem no S3-TAV de 26 mm estão localizadas nas células situa...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Abaqus	Dassault Systè mes (Simulia, Providence, RI, EUA)	2017	solucionador comercial de elementos finitos
Edwards SAPIEN 3 válvula	Edwards Lifesciences, Inc. de Irvine, Califórnia	https://www.edwards.com/healthcare-professionals/products-services/transcatheter-heart/transcatheter-sapien-3-ultra	válvula Sapien estudada
ITK-SNAP	www.itksnap.org	Versão 3.6	Identificando a anatomia em imagens DICOM pré-operatórias
Matlab	Mathworks Inc., Natick, MA, EUA)	v.R2018b	Gerar uma malha adequada da parede aórtica
MicroCT-40	Scanco Medical AG, Basel, Suíça		Scanner de microtomografia computadorizada de feixe cônico de mesa
Revolution Apex	GE Healthcare, Chicago, Illinois, EUA		Scanner de tomografia computadorizada de fonte dupla
Rinoceronte	McNee and Associates, Seattle, WA, EUA	Versão 5.0 Construa	um projeto 3D assistido por computador definitivo