Les ingénieurs trouvent que des tissus plus minces dans les valves cardiaques de remplacement créent un flutter problématique

Les ingénieurs trouvent que des tissus plus minces dans les valves cardiaques de remplacement créent un flutter problématique

Les ingénieurs trouvent que des tissus plus minces dans les valves cardiaques de remplacement créent un flutter problématique

Ce sont des modèles informatiques de valvules cardiaques aortiques de remplacement. Les modèles montrent des tissus biologiques intégrés dans les valves à des épaisseurs de 100%, 75%, 50% et 25%. Vous pouvez voir des battements dans les tissus plus minces en bas. Crédit: Ming-Chen Hsu.

Vous êtes au milieu de l’aorte, la canalisation du corps pour le sang riche en oxygène, regardant en arrière vers la pompe primaire du cœur, le ventricule gauche.

Le muscle ventriculaire se contracte et les trois feuillets de la valve cardiaque aortique explosent et le sang s’écoule jusqu’à 200 centimètres par seconde. Et c’est quoi?

Ces trois dépliants flottent dans le courant – flottant, en termes d’ingénierie. C’est un problème. Cela pourrait entraîner des déchirures de la notice, des dépôts de calcium, un échec de fatigue, voire des dommages au sang qui circule.

Nous avons un regard de témoin oculaire, d’un point de vue physiquement impossible, grâce à des modèles informatiques des interactions fluide-structure du sang et des valves cardiaques développés par des ingénieurs de l’Iowa State University et de l’Université du Texas à Austin.

Les ingénieurs ont utilisé leur technologie pour étudier ce qui se passe lorsque des tissus biologiques de plus en plus fins provenant de vaches ou de porcs sont utilisés dans le remplacement de la valve aortique par transcathéter. Cette procédure consiste à replier une valve artificielle dans un cathéter qui est enfilé à travers une artère jusqu’à la racine aortique, où elle se dilate et se fixe en place. Il est logique de choisir des tissus minces lors de la construction des valves de remplacement – les tissus plus minces peuvent être pliés en cathéters plus petits pour faciliter le mouvement à travers les tubes étroits des artères.

Mais, dans les modèles côte à côte comparant des épaisseurs de tissu de 100%, 75%, 50% et 25%, vous pouvez voir qu’il y a des problèmes avec les deux options plus minces.

Les conclusions des ingénieurs sont rapportées dans un article qui vient d’être publié en ligne par le Actes de l’Académie nationale des sciences. Les auteurs correspondants sont Ming-Chen Hsu, professeur agrégé de génie mécanique à l’État de l’Iowa; Thomas JR Hughes, titulaire de la chaire Peter O’Donnell Jr. en mathématiques computationnelles et appliquées et professeur de génie aérospatial et de mécanique du génie au Texas et à son Oden Institute for Computational Engineering and Sciences; et Michael S. Sacks, titulaire de la chaire WA « Tex » Moncrief Jr. en ingénierie et sciences basées sur la simulation, professeur de génie biomédical et directeur du Willerson Center for Cardiovascular Modeling and Simulation au Texas et de l’Oden Institute. Emily L. Johnson, étudiante au doctorat en génie mécanique et au programme de science, d’ingénierie et de politique de l’énergie éolienne de l’État de l’Iowa, est la première auteure. (Voir l’encadré pour les autres co-auteurs.)

La comparaison des ingénieurs de la performance des tissus valvulaires plus minces a été soutenue par des subventions des National Institutes of Health.

Modèles informatiques de remplacement des valves cardiaques aortiques. Les modèles montrent des tissus biologiques intégrés dans les valves à des épaisseurs de 100%, 75%, 50% et 25%. Vous pouvez voir des battements dans les tissus plus minces en bas. Crédit: Ming-Chen Hsu, Université d’État de l’Iowa

Des années et des années de défi

Il n’est pas facile de développer un modèle de calcul prédictif d’une valve cardiaque en action, a déclaré Hsu de l’Iowa State, qui modélise les valves cardiaques depuis plus de cinq ans.

Il y a une contraction, une pression et un débit constants. Les vannes sont flexibles. C’est un système très dynamique, avec beaucoup de variables.

« Nous modélisons vraiment l’ensemble du système physiologique », a déclaré Hsu. «C’est pourquoi il a fallu plusieurs années pour modéliser correctement les flux sanguins, qui peuvent passer de laminaires à turbulents, les valves cardiaques, qui sont très fines et non linéaires, et le couplage multiphysique, qui peut être numériquement instable.

Ce type de modélisation prend de la puissance de calcul intensif, a déclaré Hsu. Les valves de cette étude ont été simulées à l’aide des ressources informatiques du Texas Advanced Computing Center, chaque cycle cardiaque prenant environ deux jours pour s’exécuter sur 144 cœurs de traitement.

Mais c’est un problème qui vaut le temps et les efforts. Chaque fois qu’une valvule cardiaque de remplacement s’use, les patients doivent subir une autre intervention cardiaque. Cela fait d’éviter le flottement du feuillet dans une valve de remplacement un « critère de qualité crucial », ont écrit les ingénieurs.

Les modèles informatiques montrent la performance des valves cardiaques de remplacement, y compris diverses épaisseurs de tissus biologiques de vaches ou de porcs, au cours d’un cycle cardiaque typique. Crédit: Ming-Chen Hsu / Iowa State University

Examinons aussi la science

Hsu attribue à Johnson, un étudiant au doctorat dans son laboratoire qui travaille également sur la modélisation d’éoliennes, de l’avoir aidé à faire avancer les travaux de son laboratoire dans une nouvelle direction.

«Mon expérience est dans les méthodes de calcul», dit-il. « Mais les étudiants ont suggéré que nous devrions également nous pencher davantage sur les questions scientifiques. Nous ne développons plus seulement des outils informatiques. »

Dans ce cas, les modèles informatiques et les vidéos qui en résultent rendent la science facile à voir et à comprendre. (Comme le dit Hsu, « Je pense que les vidéos sont le meilleur moyen de montrer nos résultats. »)

Lorsqu’elles sont ouvertes par un cœur qui pompe, les feuillets plus minces se déforment au milieu et flottent dans le flux sanguin. « C’est comme un drapeau qui flotte », a déclaré Johnson.

Elle a déclaré que les ingénieurs étaient en mesure de quantifier le battement et ont constaté que les tissus plus minces avaient jusqu’à 80 fois plus d ‘«énergie de battement» que les tissus plus épais.

Les conclusions qui en résultent sont claires car les vues des ingénieurs sur les interactions fluide-structure à l’intérieur d’une valve cardiaque:

« Compte tenu des risques associés à de tels phénomènes de flutter observés, y compris des lésions sanguines et une détérioration accélérée des feuillets, cette étude démontre l’impact potentiellement grave de l’introduction de tissus plus minces et plus flexibles dans le système cardiaque. »


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Plus d’information:
Emily L. Johnson et al, Les tissus biologiques plus minces induisent un flutter foliole dans les remplacements de valvules cardiaques aortiques, Actes de l’Académie nationale des sciences (2020). DOI: 10.1073 / pnas.2002821117

Fourni par l’Université d’État de l’Iowa

Citation: Les ingénieurs trouvent que des tissus plus minces dans les valves cardiaques de remplacement créent un flutter problématique (29 juillet 2020) récupéré le 29 juillet 2020 sur https://medicalxpress.com/news/2020-07-thinner-tissues-heart-valves-problematic.html

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