通过计算机模拟精致的聚合物阀门旨在降低成本，提高微创手术

NibiB资助的工程师正在设计和测试由聚合物而不是动物心脏组织制成的主动脉心瓣置换​​。目标是优化这些阀门的性能，以便在努力提高结果并使阀门置换较大的阀门置换术后的阀门替代品的使用增加。

当心脏的主动脉瓣由于钙化主动脉瓣病（CAVD）而不完全打开时，发生主动脉狭窄。Cavd是由钙上的钙引起的，并且可以导致心力衰竭。该病症在美国的75岁以上的情况影响了超过250万人。多年来，阀门已被开放式心脏手术所取代：手术主动脉瓣更换（SAVR）。然而，越来越多地，老年患者不能忍受手术的患者可以采用微创手术:经导管主动脉瓣置换术(TAVR)，即将新瓣膜压缩到导管中，引导其穿过血管并在病变瓣膜顶部扩张。

由于TAVR程序和TAVR阀门的设计继续得到改善，因此更多的医生和患者在手术中选择TAVR，因为该程序的微创性质使得可以显着降低恢复时间。从SAVR恢复需要几个月，而TAVR患者通常在医院外面，并且能够在几天内正常运行。

然而，TAVR在较年轻患者中使用的增加提高了阀门耐久性的严重问题，因为它们现在在患者的身体中有更多年份运作。TAVR程序的长期研究已经确定了目前用于TAVR的基于组织的阀门的潜在变性和泄漏问题。

由Nibib Grantee Danny Bluestein，博士学位领导，纽约州生物医学工程教授，纽约州的生物医学工程教授，心血管系统血流动态的动态团队设计和实验室测试了实验性聚合物Tavr阀。该集团希望使用聚合物的使用将克服长期使用组织阀的一些问题，改善程序和结果，以便可以可靠地为所有年龄段的患者提供可靠的患者，从而减少对开放性心脏手术的需求。

“我们能够使用计算机型号和使用计算机的早期开发阶段的阀门测试阀门机械设备这使得通过阀门的心脏泵送血液，“蓝蓝素说。”我们的测试系统和计算机模拟允许我们评估聚合物阀并确定影响性能的特定结构问题。然后，我们可以做出必要的改变，例如在聚合物的形状，灵活性或其他方面，这些方面会减轻问题并提高效率。“

Bluestein解释说，使用聚合物的一个关键优势是，与组织不同，它们的形状和属性可以改变，在进行昂贵的动物实验之前，可以纠正设备的问题。

NIBIB数学建模、仿真和分析项目主任Grace Peng博士补充道，“blustein博士和他的同事们一直是将数学建模和实验技术相结合，设计和改进用于治疗心血管疾病的设备的先驱。他们的工作是一个杰出的例子，说明了数学建模和仿真方法可以加速医疗治疗和设备的开发，并提高其可靠性，从而拯救数千名重病患者的生命。”

测试新的聚合物TAVR阀门

原型阀门是在石石溪大学和Polynova Cardiovular Inc.的合作中开发的，Stony Brook，N.Y.Phave是一个专为外科主动脉设计的PolyNova聚合物瓣膜的Tavr版本阀门更换（Savr）。通过使用压缩成型将原料聚合物的粒料置于热量和压力下，通过将原料聚合物的颗粒放入模具中进行。与动物组织阀相比，具有模具的阀门的阀门的能力将允许批量生产和降低成本。

将实验多元瓣与目前在患者中使用的两个阀门的测试进行比较，在开放心脏手术中使用的周边渣和在微创手术中使用的INOVARE TAVR。两者都是动物组织阀。流体动力学测试评估阀如何作为仿血液的血液流过它们以与心跳相同的速率泵送。

在基线测试中，将流体泵入阀门，观察阀门的开启情况。当流体被泵送通过时，开口的大小称为有效孔口面积(EOA)。一个大的EOA和一个更全面的EOA表明最好的表现。聚合物瓣膜的EOA比SAVR和TAVR组织瓣膜更大、更圆。

在第二次测试中，这些瓣膜被安装在一个真实病人主动脉的3d打印模型中。Bluestein说:“使用定制的计算机算法，通过对TAVR候选者的CT扫描重建了患者特定的模型。”“然后，重建的解剖结构被用于模拟TAVR部署，以及在这个‘虚拟患者’中的高级流体动力学计算研究。”然后，我们可以确定潜在的问题区域，以便重新设计，以优化阀门性能。”

在这两种测试中，都测量了流体通过每个阀门时的压力变化。与第一次测试中使用的机械装置相比，所有三个瓣膜在患者特异性测试中的性能都略有下降。这是意料之中的，因为病人解剖结构的变化对所有瓣膜施加了不同的压力，导致瓣膜形状发生变化，流动效率略低。尽管如此，在两种测试环境中，阀门的性能只有轻微的差异，这是不显著的。

最终测试测量血小板的激活，因为它们流过每个阀门。血小板是血液中的微小囊泡，导致血液凝块在激活时形成。Bluestein集团专注于开发植入的阀门和心脏泵，这些阀门设计用于减少凝血性。这些植入物可以导致血流扰动，该血流激活血小板并引发凝血级联，这增加了血液凝块的形成和中风的风险。

由于这种风险，医生常规必须将这些患者放在永久性抗凝血药物上，以避免危险的凝血事件。然而，抗凝血剂的下行缺陷，包括在伤口愈合之前延长出血 - 并且在最坏的情况下，出血中风的可能性。因此，创建具有降低趋势趋势的设备的目标减少了对长期抗凝血剂治疗的需求。

凝血试验结果表明，聚合物阀最不可能激活血小板。

“我们认为，这些初步测试的聚合物TAVR非常有前途，因为性能相似并且通常比该血流动力学研究中的组织阀更好，”蓝天素说。该组目前正在测试阀门的其他方面，包括耐久性，稳定性和压缩进入导管，该导管递送阀门（称为卷曲），以及对钙沉积物的堆积的易感性，这是主动脉瓣病的主要原因。

这项工作发表于2019年1月的问题生物医学工程年报。

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