RU2725917C1 - Method for numerical modelling of transcatheter implantation of patient's heart valve - Google Patents

Method for numerical modelling of transcatheter implantation of patient's heart valve Download PDF

Info

Publication number
RU2725917C1
RU2725917C1 RU2019128550A RU2019128550A RU2725917C1 RU 2725917 C1 RU2725917 C1 RU 2725917C1 RU 2019128550 A RU2019128550 A RU 2019128550A RU 2019128550 A RU2019128550 A RU 2019128550A RU 2725917 C1 RU2725917 C1 RU 2725917C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heart
patient
valve
transcatheter
delivery system
Prior art date
Application number
RU2019128550A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Иванович Ганюков
Никита Александрович Кочергин
Иван Евгеньевич Верещагин
Евгений Андреевич Овчаренко
Кирилл Юрьевич Клышников
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний" ФГБНУ "Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний" ФГБНУ "Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний" filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний" ФГБНУ "Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний"
Priority to RU2019128550A priority Critical patent/RU2725917C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2725917C1 publication Critical patent/RU2725917C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.SUBSTANCE: present invention relates to medicine and can be used at the cardiac valve implantation planning stage in heart modelling using medical images and, in particular, to complex, patient-specific modelling of transcatheter prosthetic repair of aortic valve based on medical image data. Disclosed is a method of scheduling transcatheter implantation of patient's heart valve, involving computer modelling of patient's heart with creation of interactive model of heart at preoperative operation planning stage, collection and fixation of geometrical and functional parameters of heart of patient and its vessels, as well as parameters of hemodynamics of heart and processing of obtained results and planning stages of heart valve reconstruction. Preoperative selection of the trans-vessel delivery system is carried out, namely physical, mechanical, fatigue and strength properties of its separate components are determined, simulating movement of the delivery catheter along the guide, analysing the interaction of the delivery system and the vascular bed of the patient - the descending aorta with detecting the stress-strain state of the aorta, cardiac and vascular anomalies, and detecting and preventing the risk of vascular complications and haemodynamic effects, and at the final stage, constructing a graphic diagram stress-strain state with detecting the probability of injuring the biological components of the heart and the risk of conduction disorders.EFFECT: invention provides predicting and reducing risks of transcatheter interventions on heart valves and determining the most optimal prosthesis models at the preoperative planning stage.1 cl, 16 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к медицине, и может быть использовано на стадии планирования имплантации клапана сердца при моделированию сердца с использованием медицинских изображений и, в частности, к комплексному, специфичному для пациента моделированию процедуры транскатетерного протезирования клапана аорты на основе данных медицинских изображений. The present invention relates to medicine, and can be used at the stage of planning the implantation of the heart valve when modeling the heart using medical images and, in particular, to a comprehensive, patient-specific modeling of transcatheter aortic valve prosthetics based on medical image data.

Приобретенные пороки клапана аорты являются наиболее распространенным типом поражения среди всех клапанных позиций. Одним из наиболее перспективных методов лечения данного порока является малоинвазивное протезирование с использованием транскатетерного доступа через сосудистую систему. Такое вмешательство значительно снижает риски протезирования по сравнению с операцией на открытом сердце, что позволяет осуществлять его для пациентов высокого риска. Несмотря на свои преимущества, транскатетерное протезирование клапана аорты сопряжено со специфическими осложнениями, обусловленными спецификой имплантации – без прямого визуального контроля и возможности непосредственной корректировки хода процедуры. Медицинские методы визуализации, такие как компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвук, могут быть использованы для получения большого количества морфологических и функциональных данных об анатомии целевого места имплантации с высоким пространственно-временным разрешением на этапе предоперационного планирования. Acquired aortic valve defects are the most common type of lesion among all valve positions. One of the most promising methods of treating this defect is minimally invasive prosthetics using transcatheter access through the vascular system. Such an intervention significantly reduces the risks of prosthetics compared with open heart surgery, which allows for high-risk patients. Despite its advantages, transcatheter prosthesis of the aortic valve is associated with specific complications due to the specifics of implantation - without direct visual control and the possibility of direct correction of the procedure. Medical imaging methods, such as computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI) and ultrasound, can be used to obtain a large amount of morphological and functional data on the anatomy of the implantation site with high spatial-temporal resolution at the stage of preoperative planning.

Известна методика пациентно-специфического численного моделирования функции сердца и оценки ее изменения в результате различных хирургических вмешательств (Патент США №US 2008319308A1 «Patient-specific image-based computational modeling and techniques for human heart surgery optimization», дата публикации 25.12.2008). Основой методики является совокупность двух элементов – реконструкция трехмерной компьютерной анатомии сердца конечного пациента неинвазивными методами и численное моделирование гемодинамики сердца. Методика предполагает возможность трехмерной реконструкции камер сердца – левого и/или правого желудочка на основе магнитно-резонансной томографии, компьютерной томографии. Полученные модели используют для численного моделирования гемодинамических эффектов и оценки функциональных характеристик сердца – фракции выброса левого желудочка и ударного объема правого желудочка. Для этого на основе реконструкций получают трехмерные сетки конечных элементов расчетных областей – твердого тела (стенок камер сердца) и жидкости (потока крови). Таким образом, осуществляют сочетанный анализ взаимодействия «жидкость-твердо тело» (Fluid-Structure Interaction – FSI), который позволяет оценивать обе компоненты функции сердца – непосредственное поведение стенок сердца с позиции напряженно-деформированного состояния и гидродинамику жидкости внутри них. Методика предполагает использование сложных моделей материала для твердого тела: одно-, двух- или многослойный анизотропный материал, например модель Mooney-Rivlin. Моделирование жидкостного поведения осуществляют, исходя из того, что кровоток в желудочках ламинарный, ньютоновский, вязкий и несжимаемый. Ключевой особенностью метода является возможность численной оценки гемодинамики после ремоделирования сердца в результате вмешательства на легочном клапане – уменьшение и реконструкция объема передней стенки, связанные с заменой/имплантацией клапана легочной артерии.There is a known technique for patient-specific numerical modeling of heart function and evaluation of its changes as a result of various surgical interventions (US Patent No. US 2008319308A1 "Patient-specific image-based computational modeling and techniques for human heart surgery optimization", publication date 12/25/2008). The basis of the technique is a combination of two elements - the reconstruction of three-dimensional computer anatomy of the heart of the end patient by non-invasive methods and numerical simulation of the hemodynamics of the heart. The technique suggests the possibility of three-dimensional reconstruction of the heart chambers - the left and / or right ventricle based on magnetic resonance imaging, computed tomography. The obtained models are used for numerical modeling of hemodynamic effects and assessment of the functional characteristics of the heart - ejection fraction of the left ventricle and stroke volume of the right ventricle. To do this, on the basis of reconstructions, three-dimensional grids of finite elements of computational regions are obtained - a solid body (walls of the heart chambers) and liquid (blood flow). Thus, a combined analysis of the fluid-solid-body interaction (FSI) is carried out, which allows us to evaluate both components of the heart function — the direct behavior of the heart walls from the position of the stress-strain state and the fluid hydrodynamics inside them. The methodology involves the use of complex material models for solids: single, double, or multilayer anisotropic material, for example, the Mooney-Rivlin model. Modeling of fluid behavior is carried out on the basis that the blood flow in the ventricles is laminar, Newtonian, viscous and incompressible. A key feature of the method is the possibility of a numerical assessment of hemodynamics after remodeling of the heart as a result of an intervention on the pulmonary valve — reduction and reconstruction of the anterior wall volume associated with replacement / implantation of the pulmonary valve.

Основным недостатком данного технического решения является невозможность моделирования результатов малоинвазивных вмешательств, в частности, транскатетерных протезирований клапанов сердца – аортального и митрального. Описанная методика не содержит этапов реконструкции элементов аорты – корня аорты, ее восходящих отделов и дуги. Данные анатомические структуры являются определяющими для моделирования поведения системы доставки, самого малоинвазивного транскатетерного протеза. The main disadvantage of this technical solution is the impossibility of modeling the results of minimally invasive interventions, in particular, transcatheter prosthetics of the heart valves - aortic and mitral. The described technique does not contain the stages of reconstruction of the elements of the aorta - the aortic root, its ascending divisions and the arch. These anatomical structures are crucial for modeling the behavior of the delivery system, the most minimally invasive transcatheter prosthesis.

Дополнительным недостатком является отсутствие этапов реконструкции моделей медицинских устройств/изделия – протезов клапанов сердца, систем их имплантации и, следовательно, невозможности оценки их гемодинамики и механики в условиях функционирования в пред- и имплантированном состоянии.An additional drawback is the lack of stages in the reconstruction of models of medical devices / products - prosthetic heart valves, systems for their implantation and, therefore, the impossibility of assessing their hemodynamics and mechanics under conditions of functioning in a pre- and implanted state.

--------------------------------------------

Частично подобных недостатков лишена методика моделирования потоков, включающая реконструкцию корня аорты (Патент США №US 8224640 B2 «Method and system for computational modeling of the aorta and heart», дата публикации 17.07.2012). Методика служит для поддержки принятия решений в лечении и прогнозировании заболеваний сердца с использованием персонализированной анатомической модели сердца, созданной на основе данных объемных клинических изображений. Работа методики основана на следующих компонентах:Partially similar drawbacks are deprived of the flow modeling technique, including reconstruction of the aortic root (US Patent No. US 8224640 B2 “Method and system for computational modeling of the aorta and heart”, publication date July 17, 2012). The technique serves to support decision-making in the treatment and prognosis of heart disease using a personalized anatomical model of the heart, created on the basis of volumetric clinical images. The work of the technique is based on the following components:

(1) специфические для конечного пациента геометрические модели и соответствующие поля скорости кровотока в аорте, аортальном клапане и левом желудочке; (1) end-patient-specific geometric models and corresponding blood flow velocity fields in the aorta, aortic valve, and left ventricle;

(2) нелинейная, анизотропная, параметрическая, конститутивная модели для описания механических свойств стенки аорты;(2) non-linear, anisotropic, parametric, constitutive models for describing the mechanical properties of the aortic wall;

(3) проведение моделирования FSI с учетом специфических граничных условий скорости и геометрия конечного пациента (3D-МРТ, КТ и ротационного рентгеновского изображения с разрешением во времени);(3) conducting FSI modeling taking into account the specific boundary conditions of the speed and geometry of the final patient (3D-MRI, CT, and rotational x-ray image with time resolution);

(4) расширенные анатомические, физиологические и гемодинамические параметры, полученные в результате численного моделирования FSI; (4) advanced anatomical, physiological and hemodynamic parameters obtained as a result of numerical simulation of FSI;

(5) модели прогрессирования заболевания сердечно-сосудистых заболеваний для оценки риска конкретных клинических состояний и исходов.(5) models for the progression of cardiovascular disease to assess the risk of specific clinical conditions and outcomes.

Получение трехмерных моделей возможно на основе анализа данных неинвазивных клинических методов: компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и данные эхокардиографии. В результате реконструкции трехмерных моделей возможно получение данных об анатомии левого желудочка (эндокард и эпикард), правого желудочка, левого и правого предсердий, митрального и аортального клапанов и основных сосуды: аорты и легочного ствола. Авторы методики утверждают, что полное персонализированное моделирование анатомии и функционирования левого желудочка, аортального клапана и аорты с использованием передовых вычислительных методов для механики сопряженной жидкости и твердого тела позволяет помочь принять решение в выборе тактики хирургической коррекции того или иного заболевания. Идентификация риска позволяет определить подходящее время хирургического вмешательства, оценить эффективность медикаментозной терапии и дает представление о разработке новых методов лечения. Персонализированные модели позволяют осуществлять измерение морфологических, динамических и биомеханических характеристик, включая: динамику дилатации аорты, включая фиброзное кольцо, синотубулярное соединение, дугу аорты, нисходящие отделы; изменения толщины стенки, просвета и податливость аорты, а также ее жесткость; размер и массу миокарда камер сердца. Моделирование потоков жидкости на конкретных анатомических моделях пациента позволяет оценить гемодинамические параметры, которые характеризуют сложные поля потока, включая турбулентность, а также напряжения сдвига стенки, поля скорости кровотока, смещения стенок камер сердца, напряжения фон Мизеса (растяжение) и интенсивности турбулентности (завихренность). Расчет данных показателей может быть использован для моделирования прогрессирования заболевания и стратификация риска интра- или постпроцедуральных осложнений для отдельных пациентов.Obtaining three-dimensional models is possible based on the analysis of data from non-invasive clinical methods: computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI) and echocardiography data. As a result of reconstruction of three-dimensional models, it is possible to obtain data on the anatomy of the left ventricle (endocardium and epicardium), the right ventricle, the left and right atria, mitral and aortic valves and the main vessels: the aorta and pulmonary trunk. The authors of the technique argue that a complete personalized modeling of the anatomy and functioning of the left ventricle, aortic valve, and aorta using advanced computational methods for the mechanics of conjugated fluid and solid body helps to make a decision in choosing the tactics of surgical correction of a disease. Risk identification allows you to determine the appropriate time for surgery, to evaluate the effectiveness of drug therapy and gives an idea of the development of new methods of treatment. Personalized models allow the measurement of morphological, dynamic and biomechanical characteristics, including: dynamics of aortic dilatation, including the fibrous ring, sinotubular connection, aortic arch, descending sections; changes in wall thickness, lumen and aortic compliance, as well as its stiffness; the size and mass of the myocardium of the heart chambers. Modeling fluid flows on specific anatomical models of the patient allows us to assess the hemodynamic parameters that characterize complex flow fields, including turbulence, as well as wall shear stress, blood flow velocity field, displacement of the walls of the heart chambers, von Mises stress (tension) and turbulence intensity (vorticity). Calculation of these indicators can be used to model disease progression and stratify the risk of intra- or post-procedural complications for individual patients.

Основным недостатком описанной методики также является отсутствие этапов анализа и реконструкции медицинского изделия и его эффектов на работу элементов сердца, а также гемодинамику. Таким образом, методика не предполагает оценку и прогнозирование рисков вмешательств, включающих использование протезов клапанов сердца, в т.ч. и малоинвазивных транскатетерных изделий. При этом хирургическое протезирование и реконструкции митрального и аортального клапанов, являющиеся ключевыми процедурами в лечении приобретенных пороков сердца, требуют применения протезов, колец, бандов и других конструкций – медицинских изделий.The main disadvantage of the described technique is also the lack of stages of analysis and reconstruction of a medical device and its effects on the functioning of heart elements, as well as hemodynamics. Thus, the methodology does not involve the assessment and prediction of the risks of interventions, including the use of prosthetic heart valves, including and minimally invasive transcatheter products. At the same time, surgical prosthetics and reconstruction of the mitral and aortic valves, which are key procedures in the treatment of acquired heart defects, require the use of prostheses, rings, gangs and other designs - medical devices.

--------------------------------------------

Известна методика создания трехмерной модели протеза клапана сердца, предназначенного для транскатетерной имплантации (Патент ЕС №EP 1994482 B1 «Virtual heart valve», дата публикации 27.02.2013). В изобретении используются вычислительные методы для создания трехмерной геометрии биопротеза клапана сердца. Начиная с плоской развертки, формируют трехмерную модель клапана путем симуляции процесса сборки клапана, за счет свертки плоской формы створок и крепления их к каркасу клапана. Технология виртуальной сборки позволяет точно определять трехмерную геометрию створок. Этот метод позволяет разработчикам быстро создавать прототипы клапанов с различными конструкциями створок и/или стентов и стентоподобных каркасов, а также и выполнять анализ напряженно-деформированного состояния перед прототипированием. Изобретение позволяет описывать параметры материала створок как тонкий эластомерный полимерный лист, характеризующийся нелинейным гиперэластичным поведением, или тонким полимерным листом, аппроксимированным линейной моделью. Например параметры материала створок могут представлять собой биологические ткани, характеризующиеся нелинейной анизотропной моделью ткани типа Fung, что является актуальным описанием с позиции современного численного моделирования.A known technique for creating a three-dimensional model of a prosthetic heart valve designed for transcatheter implantation (EU Patent No. EP 1994482 B1 "Virtual heart valve", publication date 02/27/2013). The invention uses computational methods to create a three-dimensional geometry of a heart valve bioprosthesis. Starting with a flat sweep, a three-dimensional model of the valve is formed by simulating the valve assembly process, by folding the flats in a flat shape and attaching them to the valve frame. Virtual assembly technology allows you to accurately determine the three-dimensional geometry of the wings. This method allows developers to quickly create prototype valves with various designs of flaps and / or stents and stent-like frames, as well as perform stress-strain analysis before prototyping. The invention allows to describe the parameters of the casement material as a thin elastomeric polymer sheet characterized by non-linear hyperelastic behavior, or a thin polymer sheet approximated by a linear model. For example, the parameters of the leaf material can be biological tissues characterized by a nonlinear anisotropic model of tissue of the Fung type, which is an actual description from the standpoint of modern numerical modeling.

Недостатком данного изобретения является отсутствие в методике биологических компонентов анатомии корня аорты и сердца в целом, а также системы доставки для транскатетерного клапана. Отсутствие данных элементов не позволяет моделировать все этапы имплантации транскатетерного протеза и формирования финального состояния протеза, т.е. оценить его эффективность, изменения напряженно-деформированного состояния, наличие критических узлов после деформации в области протезируемого клапана сердца. The disadvantage of this invention is the lack in the methodology of the biological components of the anatomy of the aortic root and the heart as a whole, as well as the delivery system for the transcatheter valve. The absence of these elements does not allow simulating all stages of implantation of a transcatheter prosthesis and the formation of the final state of the prosthesis, i.e. evaluate its effectiveness, changes in the stress-strain state, the presence of critical nodes after deformation in the area of the prosthetic heart valve.

--------------------------------------------

Наиболее близким к заявленному изобретению является метод моделирования виртуальной имплантации изделий для лечения клапанной патологии сердца и прогнозирования результатов их имплантации (Патент США № 7,333,643 B2 «System and method for facilitating cardiac intervention», дата публикации 19.02.2008). В изобретении раскрыта компьютеризированная система и способ моделирования хирургического вмешательства. Метод включает в себя создание пациент-специфической компьютеризированной интерактивной модели сердца на основе данных конечного пациента, полученных с помощью функциональных методов исследования. Компьютеризированная интерактивная модель может включать в себя, по меньшей мере, одно хирургическое вмешательство для определения оптимальной стратегии и выбора медицинского изделия. Процедуры, которые могут быть смоделированы, включают шунтирование коронарной артерии, стентирование, хирургическое восстановление желудочков, реконструктивные вмешательства и/или протезирование клапанов с имплантацией устройств – колец для аннулопластики и протезов. Метод предполагает сбор геометрических и функциональных параметров сердца и его сосудов, а также показателей гемодинамики, для численного моделирования эффектов, возникающих до и после конечного вмешательства с целью прогноза и выбора тактики лечения.Closest to the claimed invention is a method for modeling virtual implantation of products for the treatment of valvular heart disease and predicting the results of their implantation (US Patent No. 7,333,643 B2 "System and method for facilitating cardiac intervention", publication date 02/19/2008). The invention discloses a computerized system and method for modeling surgical intervention. The method includes the creation of a patient-specific computerized interactive model of the heart based on the data of the final patient obtained using functional research methods. A computerized interactive model may include at least one surgical intervention to determine the optimal strategy and choice of medical device. Procedures that can be simulated include coronary artery bypass grafting, stenting, ventricular surgical repair, reconstructive procedures and / or valve prosthetics with implantation devices - annuloplasty and prosthesis rings. The method involves the collection of geometric and functional parameters of the heart and its vessels, as well as hemodynamic parameters, for numerically modeling the effects that occur before and after the final intervention in order to predict and select treatment tactics.

Недостатком описанного решения является отсутствие возможности моделировать транскатетерные вмешательства, вследствие отсутствия этапов создания и оценки поведения доставочных систем – катетеров, которые обеспечивают функцию введения и имплантации данных устройств (само- и баллонораскрывающихся).The disadvantage of the described solution is the inability to simulate transcatheter interventions, due to the lack of steps for creating and evaluating the behavior of delivery systems - catheters, which provide the function of introducing and implanting these devices (self-and balloon-expanding).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является прогнозирование и снижение рисков транскатетерных вмешательств на клапанах сердца и определения наиболее оптимальных моделей протезов на стадии предоперационного планирования.The technical result of the invention is to predict and reduce the risks of transcatheter interventions on the heart valves and determine the most optimal prosthetic models at the stage of preoperative planning.

Технический результат заявленного изобретения достигается за счет использования методики численного моделирования процедуры транскатетерного протезирования клапана сердца, учитывающей анатомию конечного пациента, конструкцию и особенности протеза, а также систему его доставки. The technical result of the claimed invention is achieved through the use of a numerical simulation procedure for transcatheter prosthesis of the heart valve, taking into account the anatomy of the final patient, the design and features of the prosthesis, as well as its delivery system.

Результат достигается и за счет использования в способе (методике) этапов реконструкции трехмерной модели медицинского изделия на основе графических данных неразрушающих методов анализа, а также воспроизведения всех этапов процедуры: упаковки протеза в систему доставки, движение системы до целевого места имплантации, раскрытие протеза, удаление системы доставки. Подобный подход позволит моделировать и прогнозировать риски (осуществлять стратификацию риска) транскатетерных вмешательств на клапанах сердца для случая конечного пациента для определения наиболее оптимальных моделей протезов и доступов на этапе предоперационного планирования.The result is achieved through the use in the method (method) of the reconstruction stages of a three-dimensional model of a medical device based on graphic data of non-destructive analysis methods, as well as the reproduction of all stages of the procedure: packaging the prosthesis into the delivery system, moving the system to the target implantation site, opening the prosthesis, removing the system delivery. Such an approach will allow modeling and predicting the risks (risk stratification) of transcatheter interventions on the heart valves for the case of the final patient to determine the most optimal models of prostheses and accesses at the stage of preoperative planning.

Предлагается способ численного моделирования транскатетерной имплантации клапана сердца конечного пациента, включающий компьютерное моделирование сердца пациента с созданием интерактивной модели сердца на стадии предоперационного планирования, сбор и фиксацию геометрических и функциональных параметров сердца и его сосудов с использованием численного моделирования, а также показателей гемодинамики сердца и обработку полученных результатов и планирование этапов реконструкции клапана сердца.A method for the numerical simulation of transcatheter implantation of the heart valve of the end patient is proposed, including computer modeling of the patient’s heart with the creation of an interactive model of the heart at the stage of preoperative planning, collecting and fixing the geometric and functional parameters of the heart and its vessels using numerical modeling, as well as heart hemodynamics and processing obtained results and planning stages of heart valve reconstruction.

Отличием является то, что реконструкция клапана сердца включает предоперационное моделирование транссосудистой системы доставки, моделирование движения доставочного катетера по проводнику, моделирование взаимодействия доставочной системы и сосудистого русла пациента – нисходящей аорты, дуги аорты и корня аорты с выявлением напряженно-деформированного состояния аорты, аномалий сердца и сосудов и предотвращения риска сосудистых осложнений и гемодинамических эффектов, а численное моделирование осуществляют с построением графической эпюры напряженно-деформированного состояния с выявлением вероятности травмирования биологических компонентов сердца и риска развития нарушения проводимости. The difference is that the reconstruction of the heart valve includes preoperative modeling of the transvascular delivery system, modeling the movement of the delivery catheter along the conductor, modeling the interaction of the delivery system and the patient’s vascular bed - the descending aorta, the aortic arch and the aortic root with the identification of the stress-strain state of the aorta, heart anomalies and vessels and prevention of the risk of vascular complications and hemodynamic effects, and numerical simulation is carried out with the construction of a graphic diagram of the stress-strain state with the identification of the probability of injury to the biological components of the heart and the risk of conduction disturbance.

Предлагаемый способ поясняется на 16 изображениях.The proposed method is illustrated in 16 images.

Способ включает в себя этапы реконструкции трехмерных объемных моделей сердца и крупных сосудов конечного пациента, митрального и аортального клапанов сердца и патологических участков – кальциноза и фиброза, которые могут оказать влияние на исход моделирования имплантации траснкатетерного клапана. The method includes the steps of reconstructing three-dimensional volumetric models of the heart and large vessels of the end patient, mitral and aortic valves of the heart, and pathological areas such as calcification and fibrosis, which may affect the outcome of the simulation of transplant catheter valve implantation.

Новым является присутствие в предлагаемом способе этапа получения и реконструкции пространственной модели транскатетерного протеза клапана сердца и системы его транссосудистой доставки, включающей катетер и проводник.What is new is the presence in the proposed method of a step for obtaining and reconstructing a spatial model of a transcatheter prosthesis of a heart valve and a system of its transvascular delivery, including a catheter and a conductor.

Другим отличием от известных способов и методик является наличие этапа моделирования проведения системы имплантации до целевого места – клапана аорты или митрального клапана с учетом особенностей процедуры – движения доставочного катетера по проводнику, и наличие в методике этапа моделирования взаимодействия доставочной системы и сосудистого русла пациента – нисходящей аорты, дуги аорты, которое определяет риск сосудистых осложнений за счет оценки возникающих сил и напряженно-деформированного состояния аорты.Another difference from the known methods and techniques is the presence of the stage of modeling the implantation system to the target site - the aortic valve or mitral valve, taking into account the features of the procedure - the movement of the delivery catheter along the conductor, and the presence in the methodology of the stage of modeling the interaction of the delivery system and the patient's vascular bed - the descending aorta , an aortic arch, which determines the risk of vascular complications by evaluating the arising forces and the stress-strain state of the aorta.

Сущность изобретения поясняется изображениями где показано:The invention is illustrated by images where shown:

На фиг. 1. показана принципиальная схема заявленной методики, включающая три основных этапа, входные и выходные данные, а также последовательность их связей.In FIG. 1. shows a schematic diagram of the claimed methodology, including three main stages, input and output data, as well as the sequence of their relationships.

На фиг. 2. показан один из возможных принципов реконструкции анатомических структур сердца – аорты на основе компьютерной томографии с использованием направляющих кривых в системе автоматизированного проектирования (ручной способ). Цифрой 1 обозначен срез DICOM изображения конечного пациента, полученного методом МСКТ, цифрой 2 – корень аорты в виде реконструированного трехмерного объекта, цифрой 3 – дуга аорты в виде трехмерного объекта, цифрой 4 – трехмерный участок нисходящей аорты. Стрелками показан пример расположения поперечных плоскостей относительно продольного среза.In FIG. 2. shows one of the possible principles of reconstruction of the anatomical structures of the heart - the aorta based on computed tomography using guiding curves in the computer-aided design system (manual method). The number 1 indicates the DICOM section of the image of the end patient obtained by MSCT, the number 2 is the aortic root in the form of a reconstructed three-dimensional object, the number 3 is the aortic arch as a three-dimensional object, and the number 4 is the three-dimensional section of the descending aorta. The arrows show an example of the location of the transverse planes relative to the longitudinal section.

На фиг. 3. то же, но в полуавтоматическом методе – на основе рентгенологической плотности. Такой подход основан на известных алгоритмах выделения контуров объектов, реализованных в коммерческом программном обеспечении, например, Amira (Thermo Fisher Scientific, США), или Mimics (Materialise NV, Бельгия). За счет полуавтоматической работы алгоритмов возможно ускорение и упрощение построения моделей, однако возможно значительное падение их точности и качества – наличие ложных отверстий, истончений, сложного рельефа стенки и т.д., требующих ручной корректировки. Однако такой метод получения трехмерных моделей может быть также применен в рамках заявленного изобретения.In FIG. 3. the same, but in the semi-automatic method - based on the x-ray density. This approach is based on well-known object contouring algorithms implemented in commercial software, for example, Amira (Thermo Fisher Scientific, USA), or Mimics (Materialize NV, Belgium). Due to the semi-automatic operation of the algorithms, it is possible to accelerate and simplify the construction of models, however, a significant drop in their accuracy and quality is possible - the presence of false holes, thinning, complex wall topography, etc., requiring manual adjustment. However, this method of obtaining three-dimensional models can also be applied in the framework of the claimed invention.

На фиг. 4. показаны входные данные для реконструкции модели протеза клапана сердца на примере метода компьютерной микротомогафии высокого разрешения и самораскрывающегося протеза клапана аорты (ручной способ). Цифрой 5 обозначена трехмерная модель опорного каркаса, полученная методом построения в системе автоматизированного проектирования методом кривых, по аналогии с фиг.1.In FIG. 4. The input data for reconstruction of a model of a prosthetic valve of the heart are shown using the high-resolution computer microtomography method and a self-expanding aortic valve prosthesis (manual method). Numeral 5 denotes a three-dimensional model of the support frame obtained by the method of constructing in a computer-aided design system by the method of curves, by analogy with figure 1.

На фиг. 5. то же, но в полуавтоматическом методе – на основе рентгенологической плотности, Такой подход позволяет упростить и ускорить реконструкцию модели медицинского изделия, однако возможна потеря мелких деталей и огрубление геометрии. Тем не менее, данный вид реконструкции пространственных моделей также возможен в рамках настоящего изобретения.In FIG. 5. the same, but in the semi-automatic method - on the basis of X-ray density, This approach allows us to simplify and accelerate the reconstruction of the model of a medical device, however, the loss of small parts and coarsening of the geometry is possible. However, this type of reconstruction of spatial models is also possible within the framework of the present invention.

На фиг. 6. показан пример гексаэдрической сетки конечных элементов, построенной по реконструированной модели опорного каркаса, что необходимо для применения алгоритмов численного расчета, основанных на построении сетки конечных элементов – примитивов (плоских треугольников и объемных тетраэдров) или их производных (плоских четырехугольников или объемных гексаэдров). Цифрой 6 обозначена сетка конечных элементов, полученная на основе реконструированной трехмерной геометрии протеза.In FIG. 6. An example of a hexahedral finite element mesh constructed using the reconstructed model of the supporting frame is shown, which is necessary for applying numerical calculation algorithms based on constructing a finite element mesh - primitives (flat triangles and volumetric tetrahedrons) or their derivatives (flat quadrangles or volumetric hexahedra). The number 6 denotes the finite element grid obtained on the basis of the reconstructed three-dimensional geometry of the prosthesis.

На фиг. 7. изображены основные трехмерные компьютерные модели компонентов для расчетной методики. Где цифрой 7 обозначена реконструированная модель проводника, обеспечивающая движение доставочной системы 8.In FIG. 7. The basic three-dimensional computer models of components for the calculation procedure are shown. Where the number 7 indicates the reconstructed model of the conductor, providing movement of the delivery system 8.

На фиг. 8. изображен пример моделирования материала, который может описывать численное поведение объектов исследование: линейная модель, полиномиальная модель, модель гистерезисного поведения (например, нитинола), которые могут быть получены путем аппроксимации экспериментальных данных. Определяется уровень деформации.In FIG. 8. An example of material modeling is shown, which can describe the numerical behavior of the objects of study: a linear model, a polynomial model, a model of hysteresis behavior (for example, nitinol), which can be obtained by approximating experimental data. The level of deformation is determined.

На фиг. 9. показан пример взаимного расположения трехмерных компьютерных моделей всех объектов, участвующих во взаимодействии при численном расчете транскатетерной имплантации протеза клапана, включая анатомические объекты, систему доставки, проводник и непосредственно протез.In FIG. 9. An example of the mutual arrangement of three-dimensional computer models of all objects involved in the interaction in the numerical calculation of transcatheter implantation of a valve prosthesis, including anatomical objects, a delivery system, a conductor and the prosthesis itself, is shown.

На фиг. 10. изображена схема кримпирования и упаковки опорного каркаса самораскрывающегося протеза клапана сердца в систему доставки на этапе численного моделирования. Стрелками показаны направления радиального сжатия протеза в доставочную систему – пример моделирования предимлантационной упаковки клапана.In FIG. 10. The scheme of crimping and packaging the supporting frame of a self-expanding prosthesis of a heart valve into a delivery system at the stage of numerical simulation is shown. The arrows indicate the direction of radial compression of the prosthesis into the delivery system - an example of modeling the pre-implantation valve packaging.

На фиг. 11. изображен промежуточный этап имплантации транскатетерного клапана сердца – проведение системы доставки в целевое место имплантации. Виден изгиб системы доставки вследствие взаимодействия с проводником.In FIG. 11. The intermediate stage of implantation of the transcatheter valve of the heart is shown — carrying out the delivery system to the target implantation site. The bend of the delivery system due to interaction with the conductor is visible.

На фиг. 12. визуализирован этап частичного высвобождения протеза клапана из системы доставки в области клапана аорты, при котором исследуемый протез клапана своей дистальной зоной закреплен в доставочном устройстве.In FIG. 12. The stage of partial release of the valve prosthesis from the delivery system in the region of the aortic valve is visualized, in which the valve prosthesis under investigation is fixed with its distal zone in the delivery device.

На фиг. 13. изображен пример выходных данных – эпюры распределения напряжения в модели кримпированного (сжатого) в систему доставки опорного каркаса, на примере самораскрывающегося нитинолового стента.In FIG. 13. An example of the output data is shown - a diagram of the voltage distribution in the model of the crimped (compressed) delivery system of the support frame, using the self-expanding nitinol stent as an example.

На фиг. 14. показан пример выходных данных напряженно-деформированного состояния, эпюра распределения, в модели корня аорты после контакта с опорным каркасом как пример механических показателей, характеризующих травмирование биологических компонентов и риска развития нарушения проводимости (блокады левой ножки пучка Гисса).In FIG. 14. An example of the output of the stress-strain state, distribution diagram, in the model of the aortic root after contact with the support frame is shown as an example of mechanical indicators characterizing the injury of biological components and the risk of developing conduction disturbances (blockade of the left bundle of the bundle of Giss).

На фиг. 15. изображен пример анализа степени деформации опорного каркаса после моделирования имплантации в позицию клапана аорты для различных сочетаний объектов, включенных в численный анализ, в сравнении с данными интраоперационной флюроскопии конечного пациента, для которого было выполнено предоперационное моделирование. Где цифрой 9 показан пример карда интраоперационной флюроскопии, цифрой 10 – контур имплантированного протеза клапана сердца, с которым сравнивают полученную в результате предоперационного планирования геометрию.In FIG. 15. An example of an analysis of the degree of deformation of the supporting frame after modeling implantation in the position of the aortic valve for a variety of combinations of objects included in the numerical analysis is shown, in comparison with the data of intraoperative fluoroscopy of the final patient for whom preoperative modeling was performed. Where figure 9 shows an example of an intraoperative fluoroscopy card, figure 10 shows the contour of an implanted prosthetic heart valve, with which the geometry obtained as a result of preoperative planning is compared.

На фиг. 16. изображена структура и количественные показатели потока крови после численного моделирования (данные представлены для диастолы). Т.е. проанализированы, полученные при моделировании показатели гемодинамики сердца: объем сердца, линейная скорость движения крови и ее сопротивление, что является одним из важных показателей при планировании этапов реконструкции клапана.In FIG. 16. shows the structure and quantitative indicators of blood flow after numerical simulation (data presented for diastole). Those. the hemodynamic parameters of the heart obtained during the simulation were analyzed: heart volume, linear velocity of blood and its resistance, which is one of the important indicators in planning the stages of valve reconstruction.

Заявленная методика (фиг.1) представляет собой совокупность трех последовательных этапов: реконструкции трехмерных моделей (I), численного моделирования процедуры транскатетерной имплантации (II) и обработки результатов моделирования транскатетерного протезирования клапана сердца (III) – митрального или аортальногой. The claimed methodology (figure 1) is a combination of three successive stages: reconstruction of three-dimensional models (I), numerical modeling of transcatheter implantation procedure (II) and processing of the results of modeling transcatheter prosthesis of the heart valve (III) - mitral or aortic.

Входными данными I этапа методики является получение высокоточных трехмерных компьютерных моделей объектов (фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг. 5), участвующих в процедуре протезирования – сердца, крупных сосудов, проводника, системы доставки и непосредственно транскатетерного протеза клапана сердца. The input data of the first stage of the methodology is to obtain high-precision three-dimensional computer models of objects (Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4 and Fig. 5) involved in the prosthetics procedure - the heart, large vessels, conductor, delivery system and directly transcatheter prosthesis of the heart valve .

Таким образом, на I этапе методики осуществляют определение специфической для пациента геометрии сердца и других проксимальных структур с использованием различных методов получения медицинских изображений, таких как компьютерная томография (КТ) (фиг.2 и фиг.3), компьютерная микротомографии высокого разрешения (МикроКТ) (фиг.4), магнитный резонанс (МР), ротационная рентгенография и/или ультразвук (УЗ). Графические данные, полученные описанными методами, представленные сетами (наборами) клинического DICOM 1, jpeg, bmp или tiff изображений, импортируют в известные системы обработки медицинских изображений, позволяющими автоматически, полуавтоматически или в ручном режиме по известным технологиям реконструировать трехмерные компьютерные модели объектов последующего численного анализа. Thus, at stage I of the method, the patient-specific geometry of the heart and other proximal structures are determined using various methods of obtaining medical images, such as computed tomography (CT) (Fig. 2 and Fig. 3), high-resolution computer microtomography (Micro CT) (Fig. 4), magnetic resonance (MR), rotational radiography and / or ultrasound (US). Graphic data obtained by the described methods, presented by sets (sets) of clinical DICOM 1, jpeg, bmp or tiff images, are imported into well-known medical image processing systems that allow automatically, semi-automatically or manually using known technologies to reconstruct three-dimensional computer models of objects for subsequent numerical analysis .

К таким моделям относят:These models include:

1) анатомические структуры левого и правого желудочков, левого и правого предсердий, выводного отдела левого желудочка, корня аорты 2, дуги аорты 3, нисходящего отдела аорты 4, хордального аппарата, створок клапана аорты, митрального клапана, патологических компонентов (кальцификатов); 1) the anatomical structures of the left and right ventricles, left and right atria, excretory section of the left ventricle, aortic root 2, aortic arch 3, descending aortic section 4, chordal apparatus, aortic valve cusps, mitral valve, pathological components (calcifications);

2) модели медицинского изделия: транскатетерного протеза 5, представленного, но не ограниченного опорным каркасом. Возможно включение в реконструкцию створчатого аппарата, облицовки;2) models of the medical device: transcatheter prosthesis 5, presented, but not limited to the supporting frame. Perhaps the inclusion in the reconstruction of the sash apparatus, cladding;

3) моделям вспомогательных элементов: проводника 7, системы доставки транскатетерного протеза 8. Кроме того, в случае необходимости возможна реконструкция гемостатического порта для введения системы доставки и катетера, используемого для контрастирования (pig-tail).3) models of auxiliary elements: conductor 7, delivery system of the transcatheter prosthesis 8. In addition, if necessary, reconstruction of the hemostatic port for the introduction of the delivery system and the catheter used for contrasting (pig-tail) is possible.

Трехмерные модели могут представлять собой объемные твердотельные объекты, плоские или изогнутые поверхности и плоскости или их сочетание.Three-dimensional models can be solid solid objects, flat or curved surfaces and planes, or a combination thereof.

Этап численного анализа (II) предполагает объединение всех полученных на I этапе трехмерных моделей в единую сборку, соответствующую анатомическому расположению всех элементов. Референсом для взаимного расположения элементов во время моделирования могут выступать КТ, МикроКТ, МР, ротационная рентгенография и/или УЗ. Численное моделирование осуществляют с использованием метода конечных элементов, метода конечных объемов, метода конечных разностей, метода погруженной границы. Таким образом, способ предполагает возможность проведения сочетанного анализа «жидкость-твердое тело» – FSI для определения гемодинамических и физико-механических параметров работы сердца. Для осуществления численного анализа реконструированные трехмерные модели декомпозируют с использованием, но, не ограничиваясь, трехмерными или плоскими элементами (фиг.6) 6, содержащими три, четыре или шесть граней, которые могут аппроксимировать соответствующую геометрию (для метода конечных элементов) или расчетную область (для метода погруженной границы). The stage of numerical analysis (II) involves combining all the three-dimensional models obtained in stage I into a single assembly corresponding to the anatomical arrangement of all elements. The reference for the relative position of the elements during the simulation can be CT, MikroKT, MR, rotational radiography and / or ultrasound. Numerical modeling is carried out using the finite element method, the finite volume method, the finite difference method, the immersed boundary method. Thus, the method involves the possibility of a combined analysis of "liquid-solid" - FSI to determine the hemodynamic and physico-mechanical parameters of the heart. To perform numerical analysis, reconstructed three-dimensional models are decomposed using, but not limited to, three-dimensional or flat elements (6) 6 containing three, four or six faces that can approximate the corresponding geometry (for the finite element method) or the computational domain ( for the immersed border method).

На пространственно расположенные трехмерные модели (фиг.7) накладывают граничные условия, которые определяют взаимодействие (контакт), движение, нагрузки и ограничения движения объектов в соответствии с моделируемым этапом процедуры. Контактное взаимодействие между объектами может быть описано классической изотропной моделью кулоновского трения, определяющей коэффициент трения с точки зрения скорости скольжения, контактного давления, средней температуры поверхности в точке контакта и переменных поля; методом жесткости (штрафа); кинематическим методом или методом множителя Лагранжа; пользовательским методом. В качестве граничных условий движения методика предполагает использование перемещений по координатам. Нагрузки, которые могут быть приложены, включают, но не ограничиваются определением сосредоточенной силы, момента силы, давления, нагрузки на кромку оболочки, поверхностной тяги, нагрузки на трубу, силы тела, линейной нагрузки, силы тяжести, обобщенной плоской деформации нагрузки, силы вращения тела, инерционной разгрузочной нагрузки, поверхностного теплового потока, теплового потока тела, концентрированного теплового потока. Ограничения по перемещению тел или их элементов накладывают раздельно для всех шести степеней свободы – линейного перемещения вдоль осей X, Y, Z и вращений относительно них RZ, RY, RZ. Наложение всех граничных условий возможно для декартовых или полярных систем координат (цилиндрических или сферических координат). On spatially located three-dimensional models (Fig. 7), boundary conditions are imposed that determine the interaction (contact), movement, loads, and restrictions on the movement of objects in accordance with the simulated procedure step. Contact interaction between objects can be described by the classical isotropic model of Coulomb friction, which determines the coefficient of friction in terms of sliding speed, contact pressure, average surface temperature at the contact point and field variables; stiffness method (fine); kinematic method or Lagrange multiplier method; custom method. As the boundary conditions of movement, the technique involves the use of displacements in coordinates. The loads that can be applied include, but are not limited to determining the concentrated force, moment of force, pressure, load on the edge of the shell, surface traction, load on the pipe, body force, linear load, gravity, generalized plane deformation of the load, body rotation force , inertial unloading load, surface heat flux, body heat flux, concentrated heat flux. Restrictions on the movement of bodies or their elements are imposed separately for all six degrees of freedom - linear movement along the axes X, Y, Z and rotations relative to them RZ, RY, RZ. The imposition of all boundary conditions is possible for Cartesian or polar coordinate systems (cylindrical or spherical coordinates).

Поведение всех элементов, участвующих в численных расчетах, должно соответствовать нативным физико-механическим характеристикам, вследствие чего может быть описанным линейным или нелинейным, изотропным или анизотропным, гиперэластичными, сжимаемым или несжимаемыми материалом, а также материалом с гистерезисным поведением (например, нитинол) (показано на фиг. 8). Модели материала могут быть получены по известным методикам – численными расчетами на основании математических формул, в том числе, теории прочности материалов и материаловедения, путем аппроксимации экспериментальных данных одно- и двухосного растяжения, сжатия, кручения, раздира, трения, циклической усталости, S-N кривых и т.д. Определяется усталостная прочность материала при возникновении циклических нагрузок, диапазон допустимой деформации.The behavior of all elements involved in numerical calculations must correspond to the native physical and mechanical characteristics, as a result of which it can be described linear or non-linear, isotropic or anisotropic, hyperelastic, compressible or incompressible material, as well as material with hysteretic behavior (for example, nitinol) (shown in Fig. 8). Material models can be obtained by known methods - numerical calculations based on mathematical formulas, including the theory of the strength of materials and materials science, by approximating the experimental data of uniaxial and biaxial tension, compression, torsion, tearing, friction, cyclic fatigue, SN curves and etc. The fatigue strength of the material in the event of cyclic loads, the range of permissible deformation is determined.

В рамках численного моделирования осуществляют последовательное воспроизведение всех этапов имплантации транскатетерного протеза, которые оказывают влияние на геометрию и напряженно-деформированное состояние самого протеза, систему его доставки и окружающие ткани. К данным стадиям относят:As part of numerical modeling, sequential reproduction of all stages of transcatheter prosthesis implantation is carried out, which affect the geometry and stress-strain state of the prosthesis itself, its delivery system and surrounding tissues. These stages include:

а) Кримпирование (упаковку) модели протеза в систему доставки 8 за счет использования цилиндрических мембран и/или поверхностей, действующих радиально (фиг. 10). За счет соответствующих контактных взаимодействий обеспечивается сжатие протеза из исходного свободного состояния до малого цилиндрического диаметра 6-10 мм в соответствии с реальной процедурой.a) Crimping (packaging) of the prosthesis model in the delivery system 8 through the use of cylindrical membranes and / or surfaces acting radially (Fig. 10). Due to the corresponding contact interactions, the prosthesis is compressed from the initial free state to a small cylindrical diameter of 6-10 mm in accordance with the actual procedure.

б) Движение системы доставки (фиг. 9, 11), в которую упакован протез клапана 5, по проводнику 7 до целевого места имплантации, за счет чего максимально точно моделируют деформации самого протеза клапана сердца и его компонентов. Такой подход необходим для оценки накопления всех деформаций в процессе движения/изгиба системы доставки, которые могут внести вклад в финальное имплантированное состояние. Кроме того, стадия предполагает взаимодействие доставочной системы с окружающими тканями – нисходящей аортой, дугой и корнем, с позиции возникающих сил и деформаций, а, следовательно, прогнозирования риска сосудистых осложнений и травмы внутренней поверхности сосуда.b) The movement of the delivery system (Fig. 9, 11), in which the prosthesis of valve 5 is packed, along the conductor 7 to the target implantation site, due to which deformations of the heart valve prosthesis itself and its components are simulated as accurately as possible. This approach is necessary to assess the accumulation of all deformations during the movement / bending of the delivery system, which can contribute to the final implanted state. In addition, the stage involves the interaction of the delivery system with the surrounding tissues - the descending aorta, the arch and the root, from the position of the forces and deformations that arise, and, therefore, predicting the risk of vascular complications and trauma to the inner surface of the vessel.

в) Высвобождение транскатетерного протеза 5 из системы доставки 8 при достижении целевого места имплантации – клапана аорты или митрального клапана (фиг. 12). Данная стадия предполагает контактное взаимодействие всех элементов моделируемой системы, реконструкции которых были проведены: анатомических структур, протеза, доставочной системы, проводника – в зависимости от необходимой цели моделирования и силы прогностической модели для предоперационного планирования вмешательства.c) The release of the transcatheter prosthesis 5 from the delivery system 8 upon reaching the target site of implantation - the aortic valve or mitral valve (Fig. 12). This stage involves contact interaction of all elements of the simulated system, the reconstruction of which was carried out: anatomical structures, prosthesis, delivery system, conductor - depending on the necessary modeling goal and the strength of the prognostic model for preoperative planning of the intervention.

В стадийность заявленной методики может быть дополнительно добавлена одна или более стадий, необходимость которой (ых) может повлиять на прогностическую ценность результатов. Однако описанная выше последовательность (а-в) не может быть сокращена и является минимально достаточной для валидности способа (методики).One or more stages can be added to the staged nature of the claimed methodology, the need of which (s) may affect the prognostic value of the results. However, the above sequence (a-c) cannot be shortened and is minimally sufficient for the validity of the method (method).

Заключительный этап (III) (пример приведен на фиг. 13, фиг. 14, фиг.15 и фиг. 16) заявленной методики состоит в обработке полученных при численном моделировании результатов с позиции прочностного, механического и гемодинамического анализа. В результате моделирования все тела и их компоненты, участвующие в каждой стадии (а-в) этапа II могут быть проанализированы качественно и количественно со следующим показателям:The final stage (III) (an example is shown in Fig. 13, Fig. 14, Fig. 15 and Fig. 16) of the claimed method consists in processing the results obtained by numerical simulation from the standpoint of strength, mechanical and hemodynamic analysis. As a result of the simulation, all bodies and their components involved in each stage (a-c) of stage II can be analyzed qualitatively and quantitatively with the following indicators:

- механических характеристик, возникающих как внутренние и внешние силы тел: компоненты напряжения (нормальные и сдвига), интегральные оценки напряжения (Mises и Tresca), напряжение давления, деформации (нормальные и сдвига), деформации пластические и эластические.- mechanical characteristics arising as internal and external forces of bodies: stress components (normal and shear), integrated stress estimates (Mises and Tresca), pressure stress, strain (normal and shear), plastic and elastic strains.

- характеристики контактного взаимодействия: контактное давление, напряжение, сила, перемещения, нормированная сила контакта на единицу линии контакта.- characteristics of contact interaction: contact pressure, voltage, force, displacement, normalized contact force per unit contact line.

- характеристики усталостной (многоцикловой) прочности и разрушения элементов : количество циклов до инициализации разрушения материала, показатели деградации жесткости, переменное и среднее напряжения для анализа методом Гудмана, коэффициент прочности.- characteristics of fatigue (multi-cycle) strength and failure of elements: the number of cycles before the initial fracture of the material, stiffness degradation indicators, variable and average stresses for analysis by the Goodman method, strength coefficient.

- энергетические характеристики объектов исследования и их компонентов: энергия, рассеиваемая ползучестью, набуханием и вязкоупругостью; энергия, рассеиваемая в результате повреждения; плотность кинетической энергии; плотность энергии упругой деформации; энергия скорости пластической деформации; - energy characteristics of the objects of study and their components: energy dissipated by creep, swelling and viscoelasticity; energy dissipated as a result of damage; kinetic energy density; energy density of elastic deformation; plastic strain rate energy;

- гидродинамические характеристики: напряжение сдвига тока жидкости, пристеночное напряжение, напряжение Рейнолдса, частотные и циклические характеристики, давления, поля скоростей по главным осям, характеристики распределения двухкомпонентных жидкостей (например, кровь). - hydrodynamic characteristics: shear stress of the fluid current, wall stress, Reynolds stress, frequency and cyclic characteristics, pressures, velocity fields along the main axes, distribution characteristics of two-component liquids (for example, blood).

- полученные прямые данные численного исследования конвертируют в принятые клинические показатели, включающие, но не ограничивающиеся фракцией выброса; объемными показателями камер сердца; индексом ударного объема; сердечным выбросом; давлением в легочной артерии (при наличии); корне аорты; средним, максимальным и минимальным артериальным давлением. - the obtained direct data from a numerical study are converted into accepted clinical indicators, including but not limited to the ejection fraction; volumetric indicators of the heart chambers; shock volume index; cardiac output; pressure in the pulmonary artery (if any); aortic root; average, maximum and minimum blood pressure.

Анализ позволяет проводить на стадии планирования операции стратификацию риска транскатетерной имплантации протеза клапана аорты или митрального клапана, включая характеристику риска внутри- или постпроцедурных осложнений для отдельных конечных пациентов, на основе количественных и качественных данных численного анализа. Стратификация риска на две подгруппы – низкий и высокий, проводится отдельно для каждого типа осложнений, связанных с транскатетерным протезированием клапана – парапротезная регургитация, нарушения проводимости, дислокация, сосудистые осложнения и т.д. на основе морфологии, динамики, гемодинамики. The analysis allows stratification of the risk of transcatheter implantation of the aortic valve or mitral valve prosthesis at the planning stage of the operation, including characterization of the risk of intra- or post-procedural complications for individual end patients, based on quantitative and qualitative data of numerical analysis. Risk stratification into two subgroups - low and high, is carried out separately for each type of complications associated with transcatheter valve prosthetics - para-prosthetic regurgitation, conduction disturbances, dislocation, vascular complications, etc. based on morphology, dynamics, hemodynamics.

В случае неудовлетворительных результатов, возможно проведение повторного моделирования с использованием другого типоразмера или модели протеза с последующей стратификацией риска осложнений. Сравнительный анализ двух и более расчетов позволяет выбрать оптимальную и безопасную тактику лечения – транскатетерного протезирования, модель протеза, типоразмер, доступ и другие варьируемые входные данные процедуры.In case of unsatisfactory results, it is possible to re-simulate using a different size or model of the prosthesis with subsequent stratification of the risk of complications. A comparative analysis of two or more calculations allows you to choose the optimal and safe treatment tactics - transcatheter prosthetics, prosthesis model, size, access and other variable input procedures.

Все признаки формулы заявленного изобретения: предоперационное моделирование системы транссосудистой доставки, моделирование движения доставочного катетера по проводнику, моделирование взаимодействия доставочной системы и сосудистого русла пациента – нисходящей аорты с выявлением напряженно-деформированного состояния аорты, аномалий сердца и сосудов и предотвращения риска сосудистых осложнений и гемодинамических эффектов, численное моделирование осуществляемое с построением графической эпюры напряженно-деформированного состояния с выявлением вероятности травмирования биологических компонентов сердца и риска развития нарушения проводимости позволяют снизить риски транскатетерных вмешательств на клапанах сердца и определить наиболее оптимальные модели протезов, что позволяет достигнуть заявленный технический результат. Признаки формулы изобретения являются существенными.All the features of the claims of the claimed invention: preoperative modeling of the transvascular delivery system, modeling the movement of the delivery catheter along the conductor, modeling the interaction of the delivery system and the vascular bed of the patient - the descending aorta, revealing the stress-strain state of the aorta, cardiac and vascular anomalies and preventing the risk of vascular complications and hemodynamic effects , numerical modeling carried out with the construction of a graphic diagram of the stress-strain state with the identification of the probability of injury to the biological components of the heart and the risk of conduction disturbance can reduce the risks of transcatheter interventions on the heart valves and determine the most optimal prosthetic models, which allows to achieve the claimed technical result. The features of the claims are essential.

Изобретательский уровень заявленного технического решения заключается в оптимальном сочетании совокупности трех последовательных этапов: реконструкции трехмерных моделей, численного моделирования процедуры транскатетерной имплантации и обработки результатов моделирования транскатетерного протезирования клапана сердца – митрального или аортального именно на стадии предоперационного планирования путем моделирования возможных рисков и точный математический расчет, позволяющий смоделировать новую более оптимальную ситуацию, т.е. минимизировать все риски на стадии предоперационной. Используя показатели гемодинамики пациента и физические данные его сердечно-сосудистой системы рассчитать необходимые параметры и путь доставочного катетера и параметры установочного клапана, рассчитать и смоделировать клапан, учесть его усталостную прочность, а следовательно и улучшить показатели лечения.The inventive step of the claimed technical solution consists in the optimal combination of three successive stages: reconstruction of three-dimensional models, numerical simulation of transcatheter implantation procedures and processing of the results of transcatheter prosthesis of the heart valve, mitral or aortic, at the stage of preoperative planning by modeling possible risks and accurate mathematical calculation, allowing to simulate a new more optimal situation, i.e. minimize all risks at the preoperative stage. Using the hemodynamic parameters of the patient and the physical data of his cardiovascular system, calculate the necessary parameters and the path of the delivery catheter and parameters of the positioning valve, calculate and simulate the valve, take into account its fatigue strength, and therefore improve treatment indicators.

Claims (1)

Способ планирования транскатетерной имплантации клапана сердца пациента включающий компьютерное моделирование сердца пациента с созданием интерактивной модели сердца на стадии предоперационного планирования операции, сбор и фиксацию геометрических и функциональных параметров сердца пациента и его сосудов, а также показателей гемодинамики сердца и обработку полученных результатов и планирование этапов реконструкции клапана сердца, отличающий тем, что проводят предоперационный подбор системы транссосудистой доставки, а именно, определяют физико-механические, усталостные и прочностные свойства ее отдельных компонентов, моделируют движение доставочного катетера по проводнику, анализируют взаимодействие доставочной системы и сосудистого русла пациента – нисходящей аорты с выявлением напряженно-деформированного состояния аорты, аномалий сердца и сосудов, и выявление и предотвращение риска сосудистых осложнений и гемодинамических эффектов, а на заключительном этапе осуществляют построение графической эпюры напряженно-деформированного состояния с выявлением вероятности травмирования биологических компонентов сердца и риска развития нарушения проводимости.A method for planning transcatheter implantation of a patient’s heart valve including computer modeling of the patient’s heart with the creation of an interactive heart model at the stage of preoperative planning of the operation, collecting and fixing the geometric and functional parameters of the patient’s heart and blood vessels, as well as cardiac hemodynamics and processing the results and planning the valve reconstruction stages heart, characterized in that they perform a preoperative selection of the transvascular delivery system, namely, determine the physicomechanical, fatigue and strength properties of its individual components, simulate the movement of the delivery catheter along the conductor, analyze the interaction of the delivery system and the patient’s vascular bed - the descending aorta -deformed state of the aorta, abnormalities of the heart and blood vessels, and the identification and prevention of the risk of vascular complications and hemodynamic effects, and at the final stage, gra physical diagram of the stress-strain state with the identification of the probability of injury to the biological components of the heart and the risk of conduction disturbance.
RU2019128550A 2019-09-11 2019-09-11 Method for numerical modelling of transcatheter implantation of patient's heart valve RU2725917C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019128550A RU2725917C1 (en) 2019-09-11 2019-09-11 Method for numerical modelling of transcatheter implantation of patient's heart valve

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019128550A RU2725917C1 (en) 2019-09-11 2019-09-11 Method for numerical modelling of transcatheter implantation of patient's heart valve

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2725917C1 true RU2725917C1 (en) 2020-07-07

Family

ID=71510513

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019128550A RU2725917C1 (en) 2019-09-11 2019-09-11 Method for numerical modelling of transcatheter implantation of patient's heart valve

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2725917C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114209429A (en) * 2021-12-29 2022-03-22 北京阅影科技有限公司 Method and apparatus for simulating transcatheter aortic valve replacement
RU2773613C1 (en) * 2021-02-04 2022-06-06 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Российский научный центр хирургии имени академика Б.В. Петровского" Method for planning surgical intervention

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7333643B2 (en) * 2004-01-30 2008-02-19 Chase Medical, L.P. System and method for facilitating cardiac intervention
US20080319308A1 (en) * 2007-05-22 2008-12-25 Worcester Polytechnic Institute Patient-specific image-based computational modeling and techniques for human heart surgery optimization
US8224640B2 (en) * 2009-09-08 2012-07-17 Siemens Aktiengesellschaft Method and system for computational modeling of the aorta and heart
EP1994482B1 (en) * 2006-03-02 2013-02-27 Edwards Lifesciences Corporation Virtual heart valve

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7333643B2 (en) * 2004-01-30 2008-02-19 Chase Medical, L.P. System and method for facilitating cardiac intervention
EP1994482B1 (en) * 2006-03-02 2013-02-27 Edwards Lifesciences Corporation Virtual heart valve
US20080319308A1 (en) * 2007-05-22 2008-12-25 Worcester Polytechnic Institute Patient-specific image-based computational modeling and techniques for human heart surgery optimization
US8224640B2 (en) * 2009-09-08 2012-07-17 Siemens Aktiengesellschaft Method and system for computational modeling of the aorta and heart

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2773613C1 (en) * 2021-02-04 2022-06-06 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Российский научный центр хирургии имени академика Б.В. Петровского" Method for planning surgical intervention
CN114209429A (en) * 2021-12-29 2022-03-22 北京阅影科技有限公司 Method and apparatus for simulating transcatheter aortic valve replacement
RU2810438C1 (en) * 2022-12-06 2023-12-27 Евгений Сергеевич Ермолаев Method of simulating product installed into lumen of hollow organs to expand area narrowed by pathological process

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bianchi et al. Patient-specific simulation of transcatheter aortic valve replacement: impact of deployment options on paravalvular leakage
Luraghi et al. On the modeling of patient-specific transcatheter aortic valve replacement: a fluid–structure interaction approach
Xu et al. A framework for designing patient‐specific bioprosthetic heart valves using immersogeometric fluid–structure interaction analysis
Votta et al. Mitral valve finite-element modelling from ultrasound data: a pilot study for a new approach to understand mitral function and clinical scenarios
US20210241914A1 (en) Machine learning system for assessing heart valves and surrounding cardiovascular tracts
JP6300244B2 (en) Biological simulation apparatus, biological simulation apparatus control method, and biological simulation apparatus control program
Chandran Role of computational simulations in heart valve dynamics and design of valvular prostheses
Dal Pan et al. Structural effects of an innovative surgical technique to repair heart valve defects
US20120022843A1 (en) Method and System for Comprehensive Patient-Specific Modeling of the Heart
CN110268478B (en) Methods and processes for providing subject-specific computational models for decision support and diagnosis of cardiovascular disease
Caballero et al. The impact of balloon-expandable transcatheter aortic valve replacement on concomitant mitral regurgitation: a comprehensive computational analysis
Peirlinck et al. A modular inverse elastostatics approach to resolve the pressure-induced stress state for in vivo imaging based cardiovascular modeling
Maleki et al. A metric for the stiffness of calcified aortic valves using a combined computational and experimental approach
Alharbi et al. Predicting the outcome of transcatheter mitral valve implantation using image-based computational models
Caballero et al. The impact of self-expandable transcatheter aortic valve replacement on concomitant functional mitral regurgitation: a comprehensive engineering analysis
RU2725917C1 (en) Method for numerical modelling of transcatheter implantation of patient's heart valve
Gaidulis et al. Modelling and simulation of mitral valve for transapical repair applications
Mohammadi et al. Fiber-reinforced computational model of the aortic root incorporating thoracic aorta and coronary structures
Bosi et al. Can finite element models of ballooning procedures yield mechanical response of the cardiovascular site to overexpansion?
Huang et al. A review of numerical simulation in transcatheter aortic valve replacement decision optimization
Annerel et al. Influence of valve size, orientation and downstream geometry of an aortic BMHV on leaflet motion and clinically used valve performance parameters
Galili et al. Numerical modeling for efficiency and endurance assessment of an indirect mitral annuloplasty device
Maleki Structural and fluid-structure interaction analysis of stenotic aortic valves: application to percutaneous aortic valve replacement
Catalano et al. On the Material Constitutive Behavior of the Aortic Root in Patients with Transcatheter Aortic Valve Implantation
Pasta et al. Computational Analysis of Self-Expanding and Balloon-Expandable Transcatheter Heart Valves. Biomechanics 2021, 1, 43–52