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USP aplica simulação computacional para otimizar válvula aórtica de Wheatley

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Usando modelagem matemática e simulação computacional, pesquisadores da USP testaram melhorias no desenvolvimento de uma válvula aórtica de Wheatley antes dos protótipos, economizando tempo e recursos. 

As etapas de produção de válvulas aórticas artificiais precisam respeitar elevados padrões de rigorosidade e segurança. Uma destas etapas é a demonstração de eficiência funcional por meio de testes experimentais e protótipos. A versão do protótipo que será levada adiante no desenvolvimento é obtida por meio de numerosas séries de trial-and-error. Modelos computacionais suficientemente realistas são capazes de guiar o processo de tomada de decisão a fim de obter os designs melhorados de maneira mais direta. A partir da modelagem por simulação computacional, pesquisadores do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação da USP (ICMC-USP) conseguiram testar melhorias em um projeto da válvula aórtica de Wheatley. 

A relevância das válvulas aórticas desse tipo é evidente em um contexto onde as doenças cardiovasculares são a principal causa de morte e um dos principais fatores de desabilidade motora no mundo [1]. O aumento no número de casos dessas doenças tem sido tão elevado nos países com baixo ou médio nível de desenvolvimento, onde a doenças cardíacas reumáticas são preponderantes, que a Organização Mundial de Saúde elaborou uma Resolução Global sobre Febre Reumática e Doença Cardíaca Reumática (DRR) em 2018 [2, 3]. Em parte desses casos, onde ocorre estenose aórtica ou regurgitação mitral, a substituição cirúrgica da válvula natural por uma prótese, com a válvula de Wheatley, continua a ser o tratamento mais eficaz [4]. 

Válvula aórtica de Wheatley

Válvula aórtica de Wheatley
(Fonte: Wheatley Research, https://www.wheatleyresearch.co.uk)

Impacto da simulação na eficiência do projeto da válvula de Wheatley 

O entendimento fornecido por modelos computacionais bem calibrados é de suma importância para testar hipóteses de projeto e propor melhorias no design da válvula de Wheatley antes mesmo da confecção de protótipos. As pesquisas computacionais do ICMC-USP escolheram o Ansys LS-DYNA como ferramenta para estudar o comportamento da prótese pela capacidade de simular com precisão e eficiência os fenômenos físicos não lineares que são necessários para descrever o comportamento da válvula. Esta atividade diminui tanto o tempo empregado na fase de concepção da prótese e de seus mecanismos de implante, como também os custos envolvidos na produção física de protótipos e testes experimentais, normalmente dispendiosos. 

 

 

O solver foi aplicado para realizar uma análise multifísica de interação fluido-estrutura. A técnica utilizada é conhecida como ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian Method), em que a válvula é simulada utilizando malhas lagrangianas, enquanto que o escoamento do fluido é simulado utilizando malhas eulerianas que se atualizam para acomodar o movimento dos folhetos. Técnicas do tipo ALE são bastante desafiadoras porque requerem algoritmos robustos de construção de malha e de mapeamento entre campos. O LS-DYNA possui algoritmos ALE de alto desempenho que conseguem inclusive gerenciar condições de contorno não convencionais. 

Simulação da Válvula aórtica de Wheatley

Simulação da Válvula aórtica de Wheatley. (a) Válvula aberta devido ao escoamento do fluido em regime sistólico. (b) Distribuição de tensões da válvula em posição aberta. (c) Distribuição de tensões da válvula em posição fechada.

 


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Benefícios cruciais do modelo computacional

Segundo o Dr. Hugo Luiz Oliveira, pesquisador do ICMC-USP, “o solver LS-DYNA permitiu reproduzir no computador o comportamento mecânico e fluidodinâmico que a válvula aórtica de Wheatley apresenta em condições controladas de vazão e pressão. Foi possível revelar que a forma em “S” dos folhetos consegue se manter estável em regime diastólico mesmo sob condições de pressão elevada. Além disso, esses folhetos oferecem baixa resistência à passagem de fluxo sanguíneo em regime sistólico. Com relação às arestas verticais dos folhetos, menores alturas implicam em menores áreas de cooptação, o que em situações-limite pode levar à perda de estabilidade valvar em diástole. A modelagem computacional permitiu a identificação dessas condições extremas.”

O modelo computacional produzido tem sido de suma importância para o andamento da pesquisa e desenvolvimento da válvula de Wheatley. Ele permite observar como as tensões internas de equilíbrio variam ao longo do tempo, e se pontos de concentração passam a atuar de maneira repentina. Além disso, é possível analisar o padrão de distribuição de velocidade, pressão e vorticidade do escoamento nas regiões ao entorno da válvula, identificando locais de recirculação e instabilidades. Essas informações servem para guiar ensaios de resiliência e fadiga, a fim de assegurar a alta confiabilidade do produto, bem como sua adequada especificação técnica. Assim, a sociedade poderá ter acesso mais rapidamente a tratamentos mais eficientes. 

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[1] Roth GA, Mensah GA, Johnson CO, et al. Global burden of cardiovascular diseases and risk factors, 1990–2019: update from the GBD 2019 study. Journal of the American College of Cardiology 2020; 76(25): 2982–3021.

[2] Mensah GA, Sampson UK, Roth GA, et al. Mortality from cardiovascular diseases in sub-Saharan Africa, 1990–2013: a systematic analysis of data from the Global Burden of Disease Study 2013. Cardiovascular journal of Africa 2015; 26(2 H3Africa Suppl): S6.

[3] White A. WHO Resolution on rheumatic heart disease. European Heart Journal 2018; 39(48): 4233-4233.

[4] Gourlay T, Rozeik M. Improving the hemocompatibility of heart valves. Hemocompatibility of Biomaterials for Clinical Applications 2018: 395–429.

Este projeto foi financiado pela FAPESP (2021/11129-0). As opiniões, hipóteses, conclusões ou recomendações expressas neste material são de responsabilidade do(s) autor(es) e não necessariamente refletem a visão da FAPESP.

 

 



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A ESSS reúne conhecimento em engenharia e ciências da computação para oferecer, aos diversos ramos da indústria, as mais avançadas ferramentas e soluções em simulação numérica, auxiliando engenheiros e projetistas a tomarem melhores decisões nas diferentes etapas da vida de um produto ou processo (projeto, seleção de materiais, construção, troubleshooting, manutenção). É representante oficial Ansys em toda América do Sul.


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