Том 23 № 3 (2019)
ПРИОБРЕТЕННЫЕ ПОРОКИ СЕРДЦА

Численное моделирование гемодинамики при повторном протезировании клапана сердца

Е. Овчаренко
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний, Кемерово
П. Онищенко
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний, Кемерово
К. Клышников
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний, Кемерово
Bio
В. Ганюков
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний, Кемерово
А. Шилов
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний, Кемерово
И. Верещагин
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний, Кемерово
А. Коков
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний, Кемерово
Р. Тарасов
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний, Кемерово
В. Борисов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кемеровский государственный университет», Кемерово
Ю. Захаров
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кемеровский государственный университет», Кемерово, Кемеровский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук, Кемерово
Л. Барбараш
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний, Кемерово

Опубликован 27.11.2019

Ключевые слова

  • биопротез,
  • парапротезная регургитация,
  • транскатетерная имплантация,
  • репротезирование,
  • численное моделирование

Как цитировать

Овчаренко, Е., Онищенко, П., Клышников, К., Ганюков, В., Шилов, А., Верещагин, И., Коков, А., Тарасов, Р., Борисов, В., Захаров, Ю., & Барбараш, Л. (2019). Численное моделирование гемодинамики при повторном протезировании клапана сердца. Патология кровообращения и кардиохирургия, 23(3), 30–38. https://doi.org/10.21688/1681-3472-2019-3-30-38

Аннотация

Цель. Статья посвящена численному анализу причин и гемодинамических эффектов парапротезной регургитации при повторном транскатетерном протезировании клапана аорты по типу «протез-в-протез» с позиции прогностической ценности компьютерного моделирования.
Методы. Инструментом численного анализа гемодинамики стало пациент-специфическое моделирование потока крови комплекса «протез-в-протез», сформированного из каркасного и транскатетерного самораскрывающегося биопротезов клапана аорты. Основой для получения трехмерных компьютерных моделей корня аорты, первичного каркасного несостоятельного и повторного транскатетерного биопротезов стали данные мультиспиральной компьютерной томографии пациента Т., 61 год, которому выполнена имплантация «протез-в-протез» саморас­крывающегося клапана CoreValve™. Компьютерное моделирование проводили методом погруженной границы с учетом гемодинамических характеристик пациента, полученных при трансторакальном эхокардиографическом постоперационном исследовании. В работе анализировали качественные и количественные показатели тока крови: средние и пиковые скорости кровотока, пристеночное, вязкое напряжение и напряжение Рейнольдса, а также распределение данных показателей в объеме кровотока исследуемой области.
Результаты. Полученные при численном моделировании высокие значения скорости кровотока в области интереса — зоне парапротезного сброса крови, — а также значения напряжений (вязкого и напряжения Рейнольдса) не могут приводить к значимым механическим разрушениям эритроцитов в сравнении с пороговыми литературными данными вследствие малого времени экспозиции. Полученное в результате моделирования высокое сдвиговое пристеночное напряжение в области фистулы, как следствие высоких скоростей тока крови, может инициировать тромбообразование. Тем не менее данных показателей клинически не выявлено.
Выводы. Парапротезная регургитация I степени, вызванная низким положением транскатетерного протеза CoreValve™ относительно первичного каркасного биопротеза, привела к росту скоростей и напряжений в области патологического сброса крови, которые для данного случая не проявлялись гемолизом или тромбообразованием, однако могут быть учтены как факторы риска данных осложнений. Пациент-специфическая методика оценки гемодинамических эффектов, возникающих при транскатетерном протезировании, удовлетворительно воспроизводит клиническую картину парапротезной регургитации и может лечь в основу численных прогностических моделей аналогичных вмешательств.

Поступила в редакцию 12 июня 2019 г. Исправлена 31 октября 2019 г. Принята к печати 6 ноября 2019 г.

Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда, проект № 18-75-10061 по теме «Исследование и реализация концепции роботизированного малоинвазивного протезирования клапана аорты».

Библиографические ссылки

  1. Midha P.A., Raghav V, Okafor I., Yoganathan A.P. The effect of valve-in-valve implantation height on sinus flow. Ann Biomed Eng. 2017;45(2):405-12. PMID: 27164838. https://doi.org/10.1007/s10439-016-1642-2
  2. Бокерия Л.А., Милиевская Е.Б., Кудзоева З.Ф., Прянишников В.В. Сердечно-сосудистая хирургия – 2017. Болезни и врожденные аномалии системы кровообращения. М.: НМИЦ ССХ им. А.Н. Бакулева Минздрава России, 2018. 252 с. [Bokeriya L.A., Milievskaya E.B., Kudzoeva Z.F., Pryanishnikov V.V. Cardiovascular Surgery – 2017. Disease and congenital anomalies of circulatory system. Мoscow: A.N. Bakoulev Scientific Center for Cardiovascular Surgery; 2018. 252 p. (In Russ.)]
  3. Paradis J.M., Del Trigo M., Puri R., Rodés-Cabau J. Transcatheter valve-in-valve and valve-in-ring for treating aortic and mitral surgical prosthetic dysfunction. J Am Coll Cardiol. 2015;66(18):2019-37. PMID: 26516006. https://doi.org/10.1016/j.jacc.2015.09.015
  4. Carabello B.A., Paulus W.J. Aortic stenosis. Lancet. 2009;373(9667):956-66. PMID: 19232707. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(09)60211-7
  5. Musumeci L., Jacques N., Hego A., Nchimi A., Lancellotti P., Oury C. Prosthetic aortic valves: challenges and solutions. Front Cardiovasc Med. 2018;5:46. PMID: 29868612; PMCID: PMC5961329. https://doi.org/10.3389/fcvm.2018.00046
  6. Li KYC. Bioprosthetic heart valves: upgrading a 50-year old technology. Front Cardiovasc Med. 2019;6:47. PMID: 31032263, PMCID: PMC6470412. https://doi.org/10.3389/fcvm.2019.00047
  7. Applegate P.M., Boyd W.D., Applegate Ii R.L., Liu H. Is it the time to reconsider the choice of valves for cardiac surgery: mechanical or bioprosthetic? J Biomed Res. 2017;31(5):373-6. PMID: 28958994, PMCID: PMC5706429. https://doi.org/10.7555/JBR.31.20170027
  8. Reul R.M., Ramchandani M.K., Reardon M.J. Transcatheter aortic valve-in-valve procedure in patients with bioprosthetic structural valve deterioration. Methodist Debakey Cardiovasc J. 2017;13(3):132-41. PMID: 29743998, PMCID: PMC5935197. https://doi.org/10.14797/mdcj-13-3-132
  9. Рабочая группа по ведению пациентов с клапанной болезнью сердца европейского общества кардиологов (ЕОК, ESC) и европейской ассоциации кардио-торакальной хирургии (EACTS) рекомендации ESC/EACTS 2017 по лечению клапанной болезни сердца (текст доступен в электронной версии). Российский кардиологический журнал. 2018;(7):103-155. https://doi.org/10.15829/1560-4071-2018-7-103-155 [The task force for the management of valvular heart disease of the European society of cardiology (ESC) and the European association for cardio-thoracic surgery (EACTS) 2017 ESC/EACTS guidelines for the management of valvular heart disease (text is available in electronic version). Russian Journal of Cardiology. 2018;(7):103-155. (In Russ.) https://doi.org/10.15829/1560-4071-2018-7-103-155]
  10. Erlebach M., Wottke M., Deutsch M.A., Krane M., Piazza N., Lange R., Bleiziffer S. Redo aortic valve surgery versus transcatheter valve-in-valve implantation for failing surgical bioprosthetic valves: consecutive patients in a single-center setting. J Thorac Dis. 2015;7(9):1494-500. PMID: 26543594, PMCID: PMC4598513. https://doi.org/10.3978/j.issn.2072-1439.2015.09.24
  11. Leontyev S., Borger M.A., Davierwala P., Walther T., Lehmann S., Kempfert J., Mohr F.W. Redo aortic valve surgery: early and late outcomes. Ann Thorac Surg. 2011;91(4):1120-6. PMID: 21276956. https://doi.org/10.1016/j.athoracsur.2010.12.053
  12. Takagi H., Mitta S., Ando T. Meta-analysis of valve-in-valve transcatheter versus redo surgical aortic valve replacement. Thorac Cardiovasc Surg. 2018;67(4):243-250. PMID: 30114716. https://doi.org/10.1055/s-0038-1668135
  13. Leon M.B., Smith C.R., Mack M.J., Makkar R.R., Svensson L.G., Kodali S.K., Thourani V.H., Tuzcu E.M., Miller D.C., Herrmann H.C., Doshi D., Cohen D.J., Pichard A.D., Kapadia S., Dewey T., Babaliaros V., Szeto W.Y., Williams M.R., Kereiakes D., Zajarias A., Greason K.L., Whisenant B.K., Hodson R.W., Moses J.W., Trento A., Brown D.L., Fearon W.F., Pibarot P., Hahn R.T., Jaber W.A., Anderson W.N., Alu M.C., Webb J.G.; PARTNER 2 Investigators. Transcatheter or surgical aortic-valve replacement in intermediate-risk patients. New Engl J Med. 2016;374(17):1609-20. PMID: 27040324. https://doi.org/10.1056/NEJMoa1514616
  14. Reardon M.J., Van Mieghem N.M., Popma J.J., Kleiman N.S., Søndergaard L., Mumtaz M., Adams D.H., Deeb G.M., Maini B., Gada H., Chetcuti S., Gleason T., Heiser J., Lange R., Merhi W., Oh J.K., Olsen P.S., Piazza N., Williams M., Windecker S., Yakubov S.J., Grube E., Makkar R., Lee J.S., Conte J., Vang E., Nguyen H., Chang Y., Mugglin A.S., Serruys P.W., Kappetein A.P.; SURTAVI Investigators. Surgical or transcatheter aortic-valve replacement in intermediate-risk patients. New Engl J Med. 2017;376(14):1321-31. PMID: 28304219. https://doi.org/10.1056/NEJMoa1700456
  15. Choi C.H., Cheng V., Malaver D., Kon N., Kincaid E.H., Gandhi S.K., Applegate R.J., Zhao D.X.M. A comparison of valve-in-valve transcatheter aortic valve replacement in failed stentless versus stented surgical bioprosthetic aortic valves. Catheter Cardiovasc Interv. 2019;93(6):1106-15. PMID: 30588736, PMCID: PMC6590419. https://doi.org/10.1002/ccd.28039
  16. Schultz C., Rodriguez-Olivares R., Bosmans J., Lefèvre T., De Santis G., Bruining N., Collas V., Dezutter T., Bosmans B., Rahhab Z., El Faquir N., Watanabe Y., Segers P., Verhegghe B., Chevalier B., van Mieghem N., De Beule M., Mortier P., de Jaegere P. Patient-specific image-based computer simulation for theprediction of valve morphology and calcium displacement after TAVI with the Medtronic CoreValve and the Edwards SAPIEN valve. EuroIntervention. 2016;11(9):1044-52. PMID: 26788707. https://doi.org/10.4244/EIJV11I9A212
  17. MacKnight B., Cormican D.S., Villablanca P.A., Fassl J., Núñez Gil I.J., Ramakrishna H. Percutaneous transcatheter valve-in-valve implantation for prosthetic valve disease-an analysis of evolving data and technology. J Cardiothorac Vasc Anesth. 2017;31(4):1527-34. PMID: 29335196. https://doi.org/10.1053/j.jvca.2017.02.010
  18. Zakerzadeh R., Hsu M.C., Sacks M.S. Computational methods for the aortic heart valve and its replacements. Expert Rev Med Devices. 2017;14(11):849-66. PMID: 28980492, PMCID: PMC6542368. https://doi.org/10.1080/17434440.2017.1389274
  19. Vellguth K., Brüning J., Goubergrits L., Tautz L., Hennemuth A., Kertzscher U., Degener F., Kelm M., Sündermann S., Kuehne T. Development of a modeling pipeline for the prediction of hemodynamic outcome after virtual mitral valve repair using image-based CFD. Int J Comput Assist Radiol Surg. 2018;13(11):1795-805. PMID: 30008058. https://doi.org/10.1007/s11548-018-1821-8
  20. Khalili F., Gamage P.P.T., Sandler R.H., Mansy H.A. Adverse hemodynamic conditions associated with mechanical heart valve leaflet immobility. Bioengineering (Basel). 2018;5(3):74. PMID: 30223603, PMCID: PMC6165326. https://doi.org/10.3390/bioengineering5030074
  21. Yen J.H., Chen S.F., Chern M.K., Lu P.C. The effect of turbulent viscous shear stress on red blood cell hemolysis. J Artif Organs. 2014;17(2):178-85. PMID: 24619800. https://doi.org/10.1007/s10047-014-0755-3
  22. Casa L.D., Deaton D.H., Ku D.N. Role of high shear rate in thrombosis. J Vasc Surg. 2015;61(4):1068-80. PMID: 25704412. https://doi.org/10.1016/j.jvs.2014.12.050
  23. Geers A.J., Morales H.G., Larrabide I., Butakoff C., Bijlenga P., Frangi A.F. Wall shear stress at the initiation site of cerebral aneurysms. Biomech Model Mechanobiol. 2017;16(1):97-115. PMID: 27440126. https://doi.org/10.1007/s10237-016-0804-3
  24. Tuzcu E.M., Kapadia S.R., Vemulapalli S., Carroll J.D., Holmes D.R. Jr., Mack M.J., Thourani V.H., Grover F.L., Brennan J.M., Suri R.M., Dai D., Svensson L.G. Transcatheter aortic valve replacement of failed surgically implanted bioprostheses: the STS/ACC registry. J Am Coll Cardiol. 2018;72(4):370-82. PMID: 30025572. https://doi.org/10.1016/j.jacc.2018.04.074
  25. Wilczek K., Bujak K., Reguła R., Chodór P., Osadnik T. Risk factors for paravalvular leak after transcatheter aortic valve implantation. Kardiochir Torakochirurgia Pol. 2015;12(2):89-94. PMCID: PMC4550021, PMID: 26336489. https://doi.org/10.5114/kitp.2015.52848
  26. Kleczyński P., Dziewierz A., Daniec M., Bagieński M., Rzeszutko Ł., Sorysz D., Trębacz J., Sobczyński R., Tomala M., Dudek D. Impact of post-dilatation on the reduction of paravalvular leak and mortality after transcatheter aortic valve implantation. Kardiol Pol. 2017;75(8):742-8. PMID: 28819953. https://doi.org/10.5603/KP.2017.0152
  27. Butcher J.T., Nerem R.M. Valvular endothelial cells and the mechanoregulation of valvular pathology. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2007;362(1484):1445-57. PMCID: PMC2440407, PMID: 17569641. https://doi.org/10.1098/rstb.2007.2127