Simulationsmethodik Mitralklappenstent

  Simulation eines Stentgerüstes Urheberrecht: CVE/AME Abbildung 1: Darstellung eines halbierten und expandierten Stentgerüstes mit farblich-graduierten Verlauf der von Mises-Vergleichsspannungen. Simulation mit dem Programm Ansys.

Hintergrund

Transkatheter-Mitralklappen-Ersatz ist eine neue Behandlungsoption für Risiko-Patienten mit einer Erkrankung der Mitralklappe. Durch die Verbindung von einem komplexen Stentgerüstes und speziellen Polymersegeln wird eine neuartige Transkatheter-Mitralklappen-Prothese entwickelt. Die Konstruktion des Stentgerüstes, sowie die In-silico- und In-vitro-Testung dessen, werden am CVE durchgeführt. Bei der Entwicklung des Stentgerüstes müssen insbesondere Faktoren wie Material, Fertigung und Implantation beachtet werden. Für das Stentgerüst der Mitralklappe wird vorwiegend das Material Nitinol verwendet. Nitinol zeichnet sich durch eine hohe Biokompatibilität, Hyperelastizität und den Shape-Memory-Effekt für den Einsatz als Stentmaterial aus. Der Stent wird während der Fertigung zunächst aus einem Rohr lasergeschnitten und anschließend in einem definierten thermischen Prozess schrittweise expandiert. Die fertige Prothese wird kurz vor der Implantation in den Patienten vom behandelnden Arzt auf einen vom Zugang abhängigen Durchmesser gekrimpt (radial komprimiert). Durch den gezielten Einsatz von Simulationsmethoden (FEM – Finite Element Methode) können kostspielige Iterationsschleifen bei der Designentwicklung deutlich reduziert und ein für den Einsatz optimiertes Produkt entwickelt werden.

Projektziel

Im Rahmen des PolyValve Projektes wird am Institut unter anderem ein angepasstes Stentdesign für eine Polymerprothese in der mitralen Klappenposition entwickelt. Durch genaue Analyse der Anatomie-, Implantations- und Fertigungsbedingungen wurde ein erstes Konzept für ein Transkatheter-Mitralklappen-Stentmodell aus Nitinol entwickelt, welches nun hinsichtlich seiner Funktionalität optimiert wird. Um eine fertigungsgerechte Gestaltung des Stentgerüsts zu gewährleisten, werden zwei grundlegende Zustände eines lasergeschnittenen Nitinol-Stents, die expandierte und gekrimpte Form, simuliert. Hierbei wird außerdem die Simulationsmethodik analysiert, sodass die Ergebnisse für die Entwicklung weiterer Stents aus Nitinol herangezogen und so den zeitlichen Aufwand und die Entwicklungskosten bis zum fertiggestellten Endprodukt verringern.

Methodik

Durch die Simulation der Fertigungs- und Implantationsprozesse ist es möglich schon im Designprozess Schwachstellen in der Geometrie zu erkennen und anschließend zu optimieren. Die Simulationsmethodik der Expansions- und Krimpvorgänge wird im Hinblick auf Stabilität und Rechenleistung weiterentwickelt. Hierzu werden unterschiedliche Randbedingungen, Kontakt- und Vernetzungsmöglichkeiten, sowie Methoden für den Simulationsablauf untersucht, getestet und ausgewertet. Das Nitinol Materialmodell wird optimiert und mithilfe von Sensitivitätsanalysen validiert. Weiterführend wird ein Vergleich von marktführenden Simulationsprogrammen für die numerische Untersuchung der mechanischen Eigenschaften durchgeführt.

 
Förderer: Dieses Forschungsprojekt wird durch das INTERREG Programm V-A Euregio Maas-Rhein der Europäischen Union gefördert (Förderkennzeichen 2016/98602)