Simulation analysis of the structural behaviour of biological valve prostheses using the Finite Element Method

Abstract

Nowadays, the implantation of valve prostheses is a common surgery for the treatment of severe degrees of some valve diseases. One of the techniques used is transcatheter aortic valve implantation (TAVI). This is a recently developed technique that offers an excellent alternative in cases where conventional surgery is contraindicated due to its high invasiveness. The adaptability of the valve prosthesis design to the anatomy of the aortic root where it will be implanted plays an important role in the success of the surgery. Moreover, despite all its advantages, this type of intervention is not recommended for low-risk patients due to the short durability of the biological tissue from which it is made, as it undergoes degenerative processes over time that lead to hardening and stiffening, leading to early reintervention of the patient. The capability to realistically simulate this type of device will make it possible to predict its behaviour in different implantation situations, allowing more effective decision-making when evaluating its use in each patient.

This is why the thesis project presented focuses on the development of a model for simulation using the Finite Element Method (FEM) of the mechanical structural behaviour of biological valve prostheses, given that, despite the existence of models for simulating the behaviour of the prosthesis' leaflets, the joint behaviour of the stent and the leaflets has not been extensively dealt with. In addition, the performance of the model in different aortic root configurations will be studied and the correlation of the results obtained with clinical results will be sought. Finally, the aim will be to obtain a mathematical material model that describes the degenerative and damage process suffered by the tissue in order to be able to predict the durability of these prostheses.

En la actualidad, la implantación de prótesis valvulares es una cirugía habitual para el tratamiento de grados severos de algunas valvulopatías. Una de las técnicas empleadas es la implantación valvular aórtica transcatéter (TAVI). Esta es una técnica de reciente aparición que presenta una excelente alternativa a aquellos casos donde la cirugía convencional se encuentra contraindicada debido a su alta invasividad. En el éxito de la operación juega un papel importante la adaptabilidad del diseño de la prótesis valvular a la anatomía de raíz aórtica donde será implantada. Además, este tipo de intervenciones, pese a todas sus ventajas, no están recomendadas en pacientes de riesgo bajo debido a la corta durabilidad del tejido biológico del que se fabrican ya que este sufre con el paso del tiempo procesos degenerativos que conducen a su endurecimiento y rigidización, lo que conduce a una reintervención temprana del paciente. La capacidad de simular de forma realista este tipo de dispositivos permitirá predecir su comportamiento ante distintas situaciones de implantación, favoreciendo una toma de decisiones más efectiva a la hora de evaluar su empleo en cada paciente.

Es por ello que el proyecto de tesis presentado se centra en la obtención de un modelo para simulación mediante el Método de Elementos Finitos (MEF) del comportamiento estructural mecánico de prótesis valvulares biológicas, dado que, a pesar de la existencia de modelos para simulación del comportamiento de los velos de la prótesis, el comportamiento conjunto del stent y los velos no ha sido tratado de forma extensiva. Además, se estudiará el funcionamiento del modelo ante distintas configuraciones de raíces aórticas y se buscará la correlación de los resultados obtenidos con resultados clínicos. Finalmente, se tratará de obtener un modelo matemático de material que describa el proceso degenerativo y de daño sufrido por el tejido para así poder predecir la durabilidad de estas prótesis.

Na actualidade, a implantación de próteses valvulares é unha cirurxía habitual para o tratamento de graos severos dalgunhas valvulopatías. Una das técnicas empregadas é a implantación valvular aórtica transcatéter (TAVI). Esta é unha técnica de recente aparición que presenta unha excelente alternativa a aqueles casos onde a cirurxía convencional se encontra contraindicada debido a súa alta invasividade. No éxito da operación xoga un papel importante a adaptabilidade do deseño das próteses valvulares á anatomía da raíz aórtica onde será implantada. Ademais, este tipo de intervencións, pesa a todas as súas vantaxes, non están recomendadas en pacientes de risco baixo debido á corta durabilidade de tecido biolóxico do que se fabrican xa que este sufre co paso do tempo procesos dexenerativos que conducen ao seu endurecemento e rixidización, o que conduce a unha reintervención temperá do paciente. A capacidade de simular de forma realista este tipo de dispositivos permitirá predicir o seu comportamento ante distintas situacións de implantación, favorecendo unha toma de decisión máis efectiva á hora de avaliar o seu emprego en cada paciente.

É por isto que o proxecto de tese presentado se centra na obtención dun modelo para simulación mediante o Método de Elementos Finitos (MEF) do comportamento estrutural mecánico de próteses valvulares biolóxicas, dado que, a pesar da existencia de modelos para simulación do comportamento dos velos da próteses, o comportamento conxunto do stent e dos velos non foi tratado aínda de forma extensiva. Ademais, estudiarase o funcionamento do modelo ante distintas configuracións de raíces aórticas e buscarase a correlación dos resultados obtidos con resultados clínicos. Finalmente, tratarase de obter un modelo matemático de material que describa o proceso dexenerativo e de dano sufrido polo tecido para así poder predicir a durabilidade de estas próteses.