经导管主动脉瓣植入术中支架放置和旋转方向对假体小叶内应力的影响

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概述

主动脉瓣狭窄（AS）是一种瓣膜小叶钙化和结构扭曲逐渐抑制正常功能的疾病。AS 的常规治疗是外科瓣膜置换术（SVR），但因其极具侵入性，大约 31.8% 的患者被认为不适合该手术。因此，开发出一种替代的微创治疗方案即经导管主动脉瓣植入术（TAVI）。

TAVI 装置是个圆柱形支架，但在植入后会由于原生阀瓣上的钙化材料对支架施加不规则力引起局部膨胀。因此，变形TAVI装置内的小叶可能会承受增大的应力，导致装置过早失效。本项目通过计算分析，模拟一个完整的 TAVI 装置模型，并将其与由 CT 数据获得的主动脉根模型整合，随后进行压力模拟的心动周期。

亮点

  • 在 Simpleware 软件中处理患者 CT 扫描数据，分割主动脉根部并与 TAVI 装置整合；
  • 在 ABAQUS 中模拟该装置的心动周期；
  • 通过将假体放置在不同角度方向的模拟评估对小叶应力的影响。

方法

获取 83 岁患者心脏舒张期的 CT 扫描数据，导入 Simpleware 软件进行图像处理，分割出主动脉根部、与退行性主动脉狭窄相关的小叶和 8 个钙化肿块。将基于 SAPIEN XT 的 TAVI 装置与主动脉根部整合，并生成高质量的网格模型。

图1：钙化肿块、主动脉根壁和主动脉小叶

然后在 ABAQUS 中模拟该装置的心动周期，重复 8 次，每次装置都相对原生瓣膜处于不同的旋转方向。装置的方向由原生小叶与假体小叶间的夹角定义，模拟的角度 θ 分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°和105°。

图2：TAVI 装置小叶（蓝色）相对于原生小叶（黑色）的旋转角度（绿色）
图3：完整 SAPIEN XT 和 NovaFlexþ 输送装置的计算模型

主动脉根部、主动脉、左心室流出道（LVOT）和原生小叶的密度为 1.1 g/cm3，瑞利阻尼系数为 α=800（β=0）。假设钙化肿块的密度为 2g /cm3，且无阻尼。定义主动脉根部的 9 个不同区域，用 8 个不同的弹性模型表示。假设主动脉和 LVOT 为线弹性，弹性模量为 2 MPa，泊松比为 0.45。钙化肿块也为线弹性，弹性模量为 12.6 MPa，泊松比为 0.35。其余六个窦和小叶的区域假设为超弹性，并采用近似不可压缩的简化多项式超弹性模型。

表1：主动脉根部各组织的简化多项式超弹性材料参数（kPa）

结果

由于一个大的钙化斑块突出到小叶体中，所有 8 个模拟中的支架都发生了变形。假体交界相对位置变化和支架变形导致不同的闭合小叶形状和接合线。

图4：TAVI 装置支架和小叶放置后伴随大斑块引起明显的支架变形，TAVI 装置的方向A、B：0°，C、D: 30°，E、F: 60°，G、H: 90°。

随着装置的旋转，小叶内的应力也发生变化。对于理想化、θ 为 0°和 30° 支架在一个心动周期内小叶内的整体平均 von Mises 应力如图（A）所示。理想化瓣膜表现出不同的应力特性，瓣膜打开时应力极低，关闭时大于 0° 且与 30° 的情况相近。选取图（A）中的4个时间点，比较所有模拟的瓣膜应力，即图（B）。整体应力不一定是衡量瓣膜失效好的指标，应考虑最大应力，t2 时假体瓣膜中的应力最大。最大应力与平均应力的关系如图（C）。σC 是整个心动周期内的平均应力，σA 是一个心动周期内平均应力的振幅即平均 σmax 与平均 σmin 的差值，两者的关系如图（D）。

图5：（A）理想化、θ 为 0° 和 30° 支架在一个心动周期内小叶内的整体平均应力（B）A中 t1、t2、t3、t4 四个时间点不同角度的平均应力（C）t2 时 σmax 与平均应力的关系（D）σC 与 σA 的关系图

由于材料性能的复杂，每个瓣膜间也存在差异。因此，瓣膜没有已知的疲劳失效准则，无法计算每个瓣膜能够经历的循环次数。σC 与 σA 都是衡量疲劳敏感性的指标，理想情况下两者都应该尽可能低。从疲劳角度来看，放置方向会影响装置的预期寿命。

理想化、θ 为 0° 和 30° 情况下，小叶内的应力分布如图所示。封闭的理想瓣膜具有三阶旋转对称，结果显示应力在三个小叶上的分布是相同的。对于 0° 和 30°，装置支架不再具有旋转对称性。在展开的瓣膜内，小叶主体的应力减少，但在附属于导管和支架下边缘的区域应力增加。

图6：理想瓣膜和 θ 为 0°、30° 情况下的 Von Mises 应力

结论

与理想支架相比，除 θ = 30° 外，模型化瓣膜内的平均 von Mises 应力没有因为变形支架的存在而大幅增加。然而在 87.5% 的病例中，理想瓣膜内的最大 von Mises 应力小于变形的瓣膜，这表明在某些方向上变形的支架可能更容易过早失效。

随着装置方向的变化，一个心动周期内的平均应力、最大应力、平均应力振幅和整个心动周期的平均应力分别增加 16%、37%、17%和17%。结果表明，在这个特殊的主动脉根部模型中，最理想的装置取向是 0°，而最不好的情况是30°和60°。

综上，支架变形在小叶内引发显著的应力变化，可能会加速瓣膜退化。另外，最佳装置方向的确定可能是未来装置实现控制旋转方向的驱动力。这些结果可能对正在考虑进行 TAVI 患者的评估具有临床意义，特别是需要进一步研究将计算模拟作为 TAVI 诊断检查程序常规组成部分在此类患者中的潜在作用，以便使护理更具个性化。

参考

  • Bailey J, Curzen N, Bressloff N W. The impact of imperfect frame deployment and rotational orientation on stress within the prosthetic leaflets during transcatheter aortic valve implantation[J]. Journal of biomechanics, 2017, 53: 22-28.