Background Transcatheter pulmonary valve replacement (TPVR) has asserted its position as a cornerstone in cardiology and become a nonsurgical alternative for patients with a dysfunctional right ventricular outflow tract (RVOT), demonstrating excellent early and late clinical outcomes. Short- and long-term complications of TPVR include stent fracture and migration, coronary compression, and valve regurgitation. Objective The purpose of this study is to describe methodology for developing Nitinol stents by conducting a computational design and finite element analysis in conjunction with 3D reconstruction of animal cardiac CT for TPVR. Methods 3D cardiac CT reconstruction was achieved using 3D Slicer, from which the RVOT + pulmonary artery (PA) was exported for blood flow simulation and hoop force acquisition with the stents. Functional stents were designed using Autodesk Fusion 360 and divided into three morphological geometries: group 1–straight tubular stents, group 2–corollaceous stents, and group 3–corollaceous stents with an elliptic geometry. Stent simulations for stent life and radial force, and the hoop force of the stent during expansion with the RVOT+PA model were obtained in Ansys. The blood flow simulation of RVOT+PA was performed using Ansys with the velocity-based coupled solver. Results 3D cardiac CT reconstructions were obtained in STL format, from which the right ventricle (RV) +PA model was performed for the blood flow simulation and the hoop force was obtained with the stents. Twelve functional stents were successfully designed and exported in SAT and STP formats for simulation. All stent life (Times)/radial force (N) were achieved: Group 1 comprised the stents DGS 3 (3219.2/1.88E+05), DGS 5 (16406/1.94E+05), DGS 7 (1.00E+06/1.89E+05), DGS 8B (0/3.74E+05), DGS-10B (8370.1/2.41E+05), DGS 12D (1.00E+06/2.41E+08); Group 2 comprised the stents DGS 8A (0/3.60E+05), DGS 9A (0/3.60E+05), DGS 10A (46093/2.28E+05), DGS 12C (2.50E+005/1.69E+05); Group 3 comprised the stents DGS 12A (1.00E+06/2.38E+08), DGS 12B (54509/2.20E+05). Hoop force (N) was obtained from the 12 stents: Group 1–DGS 5 (57802), DGS 7 (54647), DGS 8B (53248), DGS 10B (56650), DGS 12D (46297). Group 2–DGS 8A (50490), DGS 9A (60393), DGS 10A (23639), DGS 12C (29802). Group 3–DGS 12A (16368), DGS 12B (16368). The RV+PA blood flow simulation demonstrated that the anterior part of the PA wall had the largest shear force. Conclusions DGS 12C, DGS 12D, DGS 10A, DGS 10B, DGS 7, and DGS 5 can be subsequently tested in vitro. Autologous pulmonary valves could be sutured onto the functional stents to maintain their original geometry prior to implantation. Pre-implantation 3D CT reconstruction and stent simulation can be performed for better evaluation and visualization. The RV+PA blood flow simulation may serve as a significant input for the design of stents and pulmonary valve to determine the shear force throughout the cardiac cycle.
Hintergrund Der katheterbasierte Pulmonalklappenersatz ist ein Eckpfeiler der Kardiologie und bietet zudem eine nicht-chirurgische Alternative für die Behandlung funktionsgestörter rechtsventrikulärer Ausflusstrakte oder bioprothetischer Klappen mit hervorragenden frühen und späten klinischen Ergebnissen. Kurz- und langfristige Komplikationen von TPVR umfassen Stentfraktur/-migration, Komprimierung der Koronararterien und Klappeninsuffizienz. Ziel Ziel dieser Studie ist es, die Methodik und das Konzept für Nitinol-Stents mithilfe rechnerischer Entwürfe und Finite-Elemente-Analysen anhand von 3D-Rekonstruktionen kardialer CT-Untersuchungen in Tieren für die Anwendung von TPVR zu beschreiben. Methoden Die 3D-Rekonstruktion der CT-Untersuchungen erfolgte mit der Software 3D Slicer, aus der die RVOT und Pulmonalarterie (PA) in Verbindung mit den Stents für die Blutflusssimulation und die Umfangsspannung exportiert wurde. Die funktionellen Stents wurden mit Fusion 360 entworfen und danach in die Formate SAT und STP exportiert. Simulationen für die Lebensdauer und Radialkraft sowie für die Umfangsspannung der Stents bei der Freisetzung mit dem RVOT+PA-Modell wurden in Ansys berechnet. Die Blutflusssimulation von RVOT+PA wurde in Ansys mit dem geschwindigkeitsbasierten gekoppelten Solver durchgeführt. Ergebnisse Zwölf funktionelle Stents wurden mithilfe von Fusion 360 generiert. SAT- und STP-Dateien wurden zur Simulation in Ansys exportiert. 3D Kardio-CT-Rekonstruktionen wurden mithilfe im STL-Format kreiert, aus dem das RVOT+PA-Modell des Prä-CT ausgewählt wurde, um die Blutflusssimulation durchzuführen und die Ringkraft der Stents zu erhalten. Die Lebensdauer (Anzahl) und Radialkraft (N) der Stents wurden wie folgt berechnet: DGS-3 (3219.2/1.88E+05), DGS-5 (16406/1.94E+05), DGS-7 (1.00E+06/1.89E+05), DGS-8A (0/3.60E+05), DGS-8B (0/3.74E+05), DGS-9A (0/3.60E+05), DGS-10A (46093/2.28E+05), DGS-10B (8370.1/2.41E+05), DGS-12A (1.00E+06/2.38E+08), DGS-12B (54509/2.20E+05), DGS-12D (1.00E+06/2.41E+08), DGS-12C (2.50E+005/1.69E+05). Die jeweilige Umspannungskraft (N) wurde wie folgt berechnet: DGS-5 (57802), DGS-7 (54647), DGS-8A (50490), DGS-8B (53248), DGS-9A (60393), DGS-10A (23639), DGS-10B (56650), DGS-12A (16368), DGS-12B (16368), DGS-12C (29802), DGS-12D (46297). Die RV+PA-Blutflusssimulation zeigte, dass der vordere Teil der PA-Wand die größte Scherkraft aufwies. Schlussfolgerungen DGS-12C, DGS-12D, DGS-10A, DGS-10B, DGS-7 und DGS-5 können nachfolgend in vitro getestet werden. Autologe Pulmonalklappen können zur Erhaltung der ursprünglichen Geometrie vor der Implantation auf funktionelle Stents aufgenäht werden. Vor der Implantation können Kardio-CT 3D-Rekonstruktion und Stentsimulationen zur besseren Bewertung und Visualisierung durchgeführt werden. Die Blutflusssimulation von RVOT+PA kann einen bedeutsamen Beitrag zur Gestaltung von Stents und Pulmonalklappen leisten, um die Scherkraft während des gesamten Herzzyklus zu erhalten.
