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USP aplica la simulación computacional para optimizar la válvula aórtica Wheatley

Estudios & Investigación Industria Ingeniería Biomédica

Mediante modelado matemático y simulación computacional, los investigadores de la USP probaron mejoras en el desarrollo de una válvula aórtica Wheatley antes de los prototipos, con el consiguiente ahorro de tiempo y recursos. 

Las etapas de producción de las válvulas aórticas artificiales deben cumplir elevados estándares de rigor y seguridad. Una de estas etapas es la demostración de la eficacia funcional mediante pruebas experimentales y prototipos. La versión del prototipo que se llevará adelante en el desarrollo se obtiene mediante numerosas series de trial-and-error. Unos modelos computacionales suficientemente realistas son capaces de guiar el proceso de toma de decisiones para obtener directamente los diseños mejorados. Mediante un modelado por simulación computacional, investigadores del Instituto de Ciencias Matemáticas e Informáticas de la USP (ICMC-USP) han conseguido probar mejoras en el diseño de una válvula aórtica Wheatley.

La relevancia de las válvulas aórticas de este tipo es evidente en un contexto en el que las enfermedades cardiovasculares son la primera causa de muerte y uno de los principales factores de discapacidad motora en el mundo [1]. El aumento del número de casos de estas enfermedades ha sido tan elevado en países con niveles de desarrollo bajo o medio, donde la cardiopatía reumática es prevalente, que la Organización Mundial de la Salud elaboró en 2018 una Resolución Mundial sobre la Fiebre Reumática y la Cardiopatía Reumática (DRR) [2, 3]. En algunos de esos casos, cuando hay estenosis aórtica o regurgitación mitral, la sustitución quirúrgica de la válvula natural por una prótesis, como la válvula de Wheatley, sigue siendo el tratamiento más eficaz [4].

Válvula aórtica Wheatley

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

Impacto de la simulación en la eficiencia del diseño de válvulas Wheatley

Investigaciones computacionales del ICMC-USP eligieron Ansys LS-Dyna como herramienta para estudiar el comportamiento de la prótesis por su capacidad para simular con precisión y eficacia los fenómenos físicos no lineales necesarios para describir el comportamiento de la válvula. Esta actividad reduce tanto el tiempo dedicado al diseño de la prótesis y sus mecanismos de implante, como los costos derivados de la producción física de prototipos y pruebas experimentales, que suelen ser costosos.

 

 

El solver se aplicó para realizar un análisis multifísico de la interacción fluido-estructura. La técnica utilizada se conoce como ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian Method), en la que la válvula se simula mediante mallas lagrangianas, mientras que el flujo de fluidos se simula mediante mallas eulerianas que se actualizan para acomodar el movimiento de los folletos. Las técnicas de tipo ALE son bastante complejas porque requieren algoritmos robustos de construcción de mallas y mapeado entre campos. LS-Dyna dispone de algoritmos ALE de alto rendimiento, capaz incluso de gestionar condiciones de contorno no convencionales.

Simulación de la válvula aórtica de Wheatley

Simulación de la válvula aórtica de Wheatley. (a) Válvula abierta debido al flujo del fluido en régimen sistólico. (b) Distribución de tensiones de la válvula en posición abierta. (c) Distribución de tensiones de la válvula en posición cerrada.

 


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Principales ventajas del modelado computacional

Según el Dr. Hugo Luiz Oliveira, investigador del ICMC-USP, “el solver LS-Dyna permitió reproducir en el computador el comportamiento mecánico y fluidodinámico de la válvula aórtica de Wheatley en condiciones controladas de flujo y presión. Se reveló que la forma en “S” de los folletos consigue permanecer estable en condiciones diastólicas, incluso a alta presión. Además, estas valvas ofrecen poca resistencia al paso del flujo sanguíneo en condiciones sistólicas. Con respecto a los bordes verticales de los folletos, alturas menores implican áreas de cooptación más pequeñas, lo que en situaciones límite puede conducir a la pérdida de estabilidad de la válvula en diástole. El modelado computacional permitió identificar estas condiciones extremas.”

El modelo computacional producido ha tenido una importancia capital en la investigación y el desarrollo de la válvula Wheatley. Permite observar cómo varían con el tiempo las tensiones internas de equilibrio y si los puntos de concentración empiezan a actuar de forma repentina. Además, es posible analizar el patrón de distribución de la velocidad, la presión y la vorticidad del flujo en las regiones alrededor de la válvula, identificando lugares de recirculación e inestabilidades. Estos datos se utilizan para orientar las pruebas de resistencia y fatiga con el fin de garantizar la alta fiabilidad del producto, así como su adecuada especificación técnica. La sociedad podrá así acceder más rápidamente a tratamientos más 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 proyecto fue financiado por FAPESP (2021/11129-0). Las opiniones, hipótesis, conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son las de su(s) autor(es) y no reflejan necesariamente los puntos de vista de la FAPESP.

 

 



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