Computation of stresses applied on the bioprosthetic valves’ leaflets : impact on the durability of aortic bioprostheses

Abstract

Les maladies valvulaires sont parmi les maladies cardiovasculaires les plus fréquentes. Il n’existe actuellement aucun traitement pharmacologique pour prévenir ni ralentir ces maladies et la seule option thérapeutique actuelle est le remplacement valvulaire. Ce dernier peut être effectué soit de manière chirurgicale (RVAC) soit de manière percutanée (TAVI). Le RVAC est le traitement de référence depuis 60 ans.Cependant, au cours de la dernière décennie, le TAVI est devenue un traitement de référence pour les patients à haut risque chirurgical et une alternative pour les patients à risque intermédiaire. Malgré les résultats favorables, la durabilité limitée en raison de la dégénérescence structurelle reste la principale limitation de ces bioprothèses. Quantifier la contrainte mécanique répétitive imposée aux feuillets des bioprothèses, est donc un défi capital et urgent, afin d’optimiser la durabilité de ces dispositifs médicaux.L’absence de données cliniques rétrospectives sur la durabilité à long terme des nouvelles générations de bioprothèses encourage l’utilisation des simulations numériques qui deviennent une partie intégrante de leur évaluation. L’objectif de ce travail est de mettre au point une méthode basée sur l’association d’expériences in vitro/in silico. Elle a été développée afin d’estimer les contraintes appliquées sur les feuillets des bioprothèses aortiques en utilisant un système optique par stéréophotogrammétrie et la corrélation d'images. Les déplacements obtenus in vitro ont ensuite été implémentés dans un modèle d'éléments finis afin de calculer les contraintes mécaniques. Des zones privilégiées de contraintes maximales ont ainsi pu être déterminées.Heart valve diseases are the most prevalent form of cardiovascular disease. Currently, no medical therapy is available for successfully treating calcific aortic stenosis and the only option is the valve replacement, either conventional surgical (SAVR) or transcatheter aortic valve implantation (TAVI). Surgical valve replacement has been the standard of care for the past 60 years. However, in the past decade, transcatheter aortic valve implantation has become a viable alternative to surgical aortic valve replacement in patients with high or intermediate surgical risk. Despite the favorable results, the main limitation of both, surgical and TAVI bioprostheses, is their limited durability due to structural valve degeneration (SVD). Quantifying the mechanical fatigue in the form of repetitive stresses imposed to the valve leaflets of aortic bioprostheses is therefore a major and urgent challenge in order to optimize their durability. The lack of long-term durability data for new generations of surgical and percutaneous bioprostheses encourages the use of numerical simulations, representing a significant resource to evaluate and improve these devices. The objective of this thesis is to develop an in vitro/in silico method that offers an experimental evaluation of the mechanical stress applied on bioprosthetic leaflets using a non-contact system based on stereophotogammetry and digital image correlation (DIC). The deformation obtained from the DIC analysis was applied in the finite element model which allows a realistic opening and closing of each leaflet, in order to calculate the local mechanical stress applied. High stress regions could thus be identified and quantified