ПЕРСОНИФИЦИРОВАННОЕ КОЛЬЦО-ПРОТЕЗ МИТРАЛЬНОГО КЛАПАНА С ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована в кардиохирургии для реконструктивных операций на пораженных нативных клапанах сердца человека для восстановления их нормальной функции.
Заболевания митрального клапана обладают значительной распространенностью в мире, затрагивая ~1,7% (по некоторым данным до 2-3%) населения развитых стран. При этом частота их развития строго коррелирована с возрастом - у пациентов старше 75 лет митральные пороки достигают 10%. Вследствие чего, ежегодно более 300000 человек во всем мире подвергаются вмешательствам на открытом сердце для лечения пороков митрального клапана. Наиболее частой формой клинического проявления является митральная регургитация с ретроградным систолическим током из левого желудочка в левое предсердие, коррекцию которой осуществляют двумя основными методами - полным протезированием клапана или аннулопластикой. Именно аннулопластика с совершенствованием конструкций и доступов становится стандартом вмешательств при митральной регургитации для большинства этиологий. Такой подход позволяет восстановить функцию клапанного и подклапанного аппарата с их сохранением, чего невозможно достичь при протезировании. Цель аннулопластики заключается в восстановлении физиологической геометрии митрального клапана путем комбинированной операции на створках и фиброзном кольце с имплантацией устройства для аннулопластики - опорного кольца.
С развитием технологий и знаний об анатомии нормального и патологического митрального клапана, производители и разработчики предоставили современному хирургу значительный арсенал конструкций и методов проведения аннулопластики. Благодаря этому стало возможно решать разные индивидуальные задачи - изолированное изменение периметра митрального клапана; сохранение динамики в цикле «систола-диастола»; радикальная коррекция формы и размеров; зонированная коррекция (только задней створки) и т.д. Кроме того, появились устройства, имплантируемые малоинвазивно - транскатетерным способом, благодаря чему появилась возможность снизить травматичность такой процедуры, что стало особенно актуально для пациентов высокого риска.
Известны опорные кольца для аннулопластики митрального клапана, описанные серией патентов (патент США №9,526,615 В2, опубл. 27.12.2016; №7,993,396 В2, опубл. 09.08.2011; №8,382,828 В2 опубл. 26.02.2013). Кольца могут представлять собой замкнутые или разомкнутые жесткие или полужесткие контуры D и С-образной формы, соответственно. Авторы заявляют, что кольца-протезы имеют оптимальный размер, учитывающий наиболее распространенные дегенеративные патологии клапана: фиброэластический дефицит (FED), болезнь Марфана или Барлоу, полученные путем тщательных эхокардиографических и интраоперационных измерений. Кольца могут быть плоскими или трехмерными, т.е. иметь приподнятую часть (части) над основной плоскостью для обеспечения седловидной формы, являющейся более анатомической. Кольца могут иметь постоянную или переменную гибкость по периферии. Выполнены данные опорные кольца из металлического полужесткого сердечника (сплава кобальт-никель, титана, нитинола), который покрыт полимерным материалом (как правило, силиконом) и облицован синтетической тканью. Данные кольца хорошо зарекомендовали себя в клиническом применении и имеют доказанную эффективность, что демонтируют результаты применения кольца-протеза для аннулопластики Physio I и Physio II (Edwards LifeSciences, США).
Недостатком данных технических решений является невозможность полной адаптации модели кольца для нужд пациента - низкая степень персонификации таких медицинских изделий. Каждый производитель изготавливает серию типоразмеров колец - 8-10 единиц, которая обладает строго заданными пропорциями, изменить которые возможно, только изменив модель. Учитывая значительную вариативность анатомии каждого пациента, подбор нужной формы может быть затруднен, или невозможен в принципе, т.к. конструктив серийных колец не может предусматривать требуемых сочетаний геометрии и свойств - высоты и диаметра; жесткости и формы; эллиптичности и высоты; т.д. Таким образом, хирург вынужден выбирать наиболее близкое, но не всегда оптимальное решение для конкретного пациента. Именно поэтому глобальный тренд развития медицины - персонификация и подбор индивидуальных изделий с индивидуальными свойствами для пациента постепенно внедряются в область хирургии клапанов сердца, и на сегодняшний день появляются персонифицированные подходы к пластике митрального клапана. Основная концепция подобной персонификации - создание индивидуальной формы кольца, благодаря тем или иным техническим приемам, а также придание изделиям уникальных неоднородных физико-механических свойств - прежде всего, подвижности определенных областей изделия, для сохранения естественной биомеханики. В экспериментальных работах показано, что создание уникальной специфической геометрии кольца-протеза способно улучшить исход коррекции анатомии митрального клапана (Sundermann S.H. et al., Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery, 2012). При этом помимо оптимальной формы необходимо обеспечить физиологичные неоднородные перемещения в цикле «систола-диастола»: наибольшие - в области передней створки (зоны A1, А2), при малых перемещениях других зон (Р2, Р3) (Lee А.P. et al., JACC: Cardiovasc. Imaging, 2017).
Известны кольца-протезы, персонификацию которых производят после имплантации, благодаря физическому воздействию (патент США №8,821,570 В2, опубл 02.09.2014; патент США №7,722,668 В2, опубл. 25.05.2010; патент ЕС №3569195 А1, опубл. 20.11.2019). Основной элемент данных колец выполнен из материалов, способных поглощать и деформироваться под действием внешнего источника энергии, которым может быть, например, акустическая, радиочастотная, световая, температурная или магнитная энергия. Наиболее распространенным вариантом исполнения является изготовление в виде сердечника из материала с памятью формы (нитинола), который нагревают в необходимых местах с помощью миниатюрных электродов после того, как кольцо-протез было имплантировано. Вследствие чего материал сердечника изменяет свою форму и/или размер, например, укорачиваясь, что изменяет форму и диаметр всего изделия целиком. Для некоторых изделий (патент США №8,821,570 В2, опубл. 02.09.2014) такое преобразование возможно даже после полного завершения процедуры имплантации за счет внешних электродов, выведенных чрескожно вне организма пациента, и подключенных к внешнему источнику тепловой энергии. При этом за счет создания уплотнений в тех или иных участках спирали возможно точечно изменять и жесткость контура.
Обеспечение такой трансформации возможно за счет специфической геометрии сердечника:
а) по типу спирали или нескольких спиралей;
б) телескопической реализации, при которой часть протеза кольца вдвигается внутрь себя же за счет трубчатого строения.
Недостатком данных технических решений является необходимость приложения физического воздействия, т.е. наличия, хоть и миниатюрного, но дополнительного оборудования - нагревателя, системы создания магнитных полей, акустического воздействия. Такой компонент требует дополнительных навыков от хирурга в работе, и понимания какие изменения формы могут быть получены. Кроме того, такое физическое формообразующее воздействие на сердечник кольца может являться необратимым, т.е. изменяя диаметр кольца или его форму неправильно, существует высокий риск невозможности исправить ошибку. Методика работы с материалами с памятью формы имеет возможность редеформировать изделие, охладив его, но данные технические решения не предполагают такого конструктива - обратного отбора тепловой энергии (охлаждения). Воздействие же магнитное или акустическое, в принципе, не имеют антагониста, т.е. их нельзя отменить. Особенно актуальна данная проблема становится для варианта формообразования после полного завершения процедуры - с помощью выведенных на поверхность кожи электродов, при котором ошибка формообразования приведет к необходимости повторного вмешательства - транскатетерного или открытого.
Другим вариантом персонификации и изменения формы кольца-протеза является механическое воздействие, описанное в (патент США №9,713,530 В2, опубл. 25.07.2017 и патент США №8,961,602 В2, опубл. 24.02.2015), реализуемое в виде деформации кольца с помощью натяжителей. Кольцо-протез представлено в виде складчатой пружинящей структуры, внутри которой расположена утягивающая нить, благодаря укорочению которой изменяют периметр и форму кольца. Такое решение позволяет во время процедуры персонифицировать кольцо-протез, при этом, проводя такое изменение обратимо. Добиваясь необходимой степени натяжения/ослабления в нужных местах, хирург обеспечивает требуемый профиль кольца.
Недостатком данных технических решений является невозможность изменять трехмерную форму кольца - высоту, изгиб в необходимых местах, т.к. пружинящая форма конструкции призвана изменять только длину периметра и, следовательно, диаметры кольца, но не другие - не менее важные характеристики, обеспечивающие седловидную форму, и/или жесткость.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является конструкция (патент США №10,265,171 В2, опубл. 23.04.2019), реализующая принцип создания стабильного персонифицированного митрального кольца-протеза на основе многожильного проволочного компонента с формой, закрепляемой термическим способом. В основе технического решения лежит гибкая металлическая (нитиноловая или из сплава никеля-кобальта) проволока из нескольких жил, которой придают необходимую пациент-специфическую форму с помощью запекания в пресс-форме выше 500°С. Такая конструкция, с одной стороны, остается гибкой настолько, чтобы быть доставленной с помощью малоинвазивных транскатетерных способов. С другой стороны, при имплантации, кольцо-протез примет заданную форму, изменяя вслед за собой форму митрального клапана. Кроме того, такому кольцу можно придать уникальный размер и геометрию - диаметры, высоты, седловидность, периметра, оптимально подходящие конечному пациенту.
Недостаток данного технического решения обусловлен методом придания конечной геометрии - высокотемпературного формования (запекания). Для использования такого протеза-кольца необходимо специальное оборудование (печь), оснастка (пресс-форма) для придания необходимых изгибов и формы кольца; необходимо понимание режимов термообработки, что удлиняет подготовку к процедуре имплантации и повышает трудоемкость вмешательства в целом. Другим недостатком данного технического решения является персонификация только геометрии, но не свойств (жесткости) кольца протеза для определенных зон центрального проволочного компонента.
Техническим результатом настоящей полезной модели является создание конструкции кольца-протеза для аннулопластики митрального клапана, которое позволяет адаптировать на дооперационном этапе его геометрию к индивидуальным особенностям пациента - обеспечить пациент-специфическую форму и размер, а также изолированно адаптировать жесткость каждой зоны кольца - обеспечить индивидуальную подвижность его областей.
Данная задача осуществляется за счет того, что часть(и) кольца-протеза выполнена(ы) в виде несплошной сетчато-полой конструкции, которую проектируют индивидуально, исходя из предварительного дооперационного анализа анатомии конкретного пациента, которая за счет комбинации геометрических элементов - балок и отверстий, позволяет варьировать геометрию кольца-протеза и требуемую жесткости зон. Таким образом, персонификация формы и свойств осуществляется на дооперационном этапе за счет возможности использования технологий быстрого прототипирования.
Заявленное устройство состоит из центрального неплоского металлического сердечника, замкнутой почкообразной формы, формирующего единственное центральное проходное отверстие, и разделенного не менее, чем на две зоны.
Отличием является выполнение не менее одной из зон металлического сердечника в виде несплошной сетчато-полой конструкции, представляющей собой объединение круглых отверстий и балок, причем остальные зоны сердечника выполнены в виде сплошной конструкции.
Принцип и примеры реализации заявленного технического решения представлены на рисунках:
на фиг. 1А изображена схема центрального металлического сердечника сверху, на котором представлены вариант шестичленного зонирования, обозначенный разными цветами;
на фиг. 1Б - то же, для четырехзонного исполнения, обозначенного разными цветами;
на фиг. 1В - то же, для двучленного зонирования, обозначенного разными цветами;
на фиг. 2А изображен пример выполнения одной из зон металлического сердечника в виде сетчато-полой конструкции, обеспечивающей подвижность и гибкость в соответствии с пациент-специфической биомеханикой фиброзного кольца митрального клапана;
на фиг. 2Б - то же, пример выполнения противолежащей зоны в виде сетчато-полой конструкции;
на фиг. 2В - то же, пример одновременного выполнения двух противолежащих зон в виде сетчато-полой конструкции;
на фиг. 2Г - то же, пример одновременного выполнения двух соседних зон в виде сетчато-полой конструкции;
на фиг. 2Д - то же, пример одновременного выполнения трех несоединенных зон в виде сетчато-полой конструкции;
на фиг. 2Е - то же, пример одновременного выполнения трех соседних зон в области задней створки в виде сетчато-полой конструкции;
на фиг. 2Ж - то же, пример одновременного выполнения четырех не соседних зон в виде сетчато-полой конструкции;
на фиг. 2И - то же, пример одновременного выполнения четырех смежных зон в виде сетчато-полой конструкции;
на фиг. 2К - то же, пример одновременного выполнения пяти зон в сетчато-полой конструкции;
на фиг. 2Л - то же, другая комбинация пяти зон;
на фиг. 3А изображен пример исполнения сетчато-полой зоны на основе крупных раздельных окружностей;
на фиг. 3Б  изображен пример исполнения сетчато-полой зоны на основе мелких плотно расположенных окружностей;
на фиг. 3В изображен пример исполнения сетчато-полой зоны на основе пятигранника;
на фиг. 3Г изображен пример исполнения сетчато-полой зоны на основе шестигранника;
на фиг. 3Д  изображен пример исполнения сетчато-полой зоны на основе квадратного сечения и ромба;
на фиг. 4А изображен вариант конструкции, сочетающий в себе две сетчато-полой зоны разного исполнения - с отверстиями в виде мелких окружностей и отверстий в виде квадратов;
на фиг. 4Б изображен вариант конструкции, сочетающий в себе две сетчато-полой зоны разного исполнения - с отверстиями в виде мелких окружностей и крупных окружностей;
на фиг. 5А - схема в изометрическом виде центрального металлического сердечника, визуализирующий неплоскую форму, пример шестизонного исполнения;
на фиг. 5Б - то же, описывающее вариант значительного подъема в области задней створки для адаптации к более пациент-специфичной геометрии опорного кольца, пример шестизонного исполнения.
на фиг. 5В приведен пример исполнения асимметричного каркаса с уширением в одной из зон (задней створки 3, Р3).
на фиг. 5Г приведен пример исполнения асимметричного каркаса таким образом, чтобы обеспечить уменьшение длиника за счет сжатия в двух областях (передней створки 1 и задней створки 1, т.е. А1 и Р3).
Конструкция.
Заявленное устройство представляет собой замкнутый твердый каркас 1 неплоской формы, выполненный в виде почкообразной формы, переменной жесткости (фиг. 1А, 2А). Каркас зонирован не менее, чем на две зоны (фиг. 1А-В), для которых возможно изолированное или сочетанное исполнение в виде сетчато-полой конструкции 2. При этом остальные зоны каркаса выполнены в виде сплошной конструкции 3, не содержащей отверстий или полостей. Целью создания сетчато-полой структуры 2 является изменение жесткости и подвижности зон(ы), к которой(ым) она приложена, для обеспечения требуемой биомеханики, закладываемой разработчиком/проектировщиком персонализированного устройства. Таким образом, кольцо-протез представляет собой замкнутую комбинацию сетчато-полых 2 и цельных 3 зон.
Количество зон, которые могут быть сетчато-полыми, составляет не менее одной (фиг. 2А-Е). При этом такими зонами могут быть следующие комбинации, пример реализации которых изображен на следующих фигурах:
1. любая одна зона (фиг. 2А, Б);
2. любые две зоны - противоположные, расположенные рядом (фиг. 2В, Г);
3. любые три зоны - расположенные раздельно, расположенные рядом (по соседству) (фиг. 2Д, Е).
4. любые четыре зоны - расположенные смежно или рядом (по соседству) (фиг.2Ж, И).
5. любые пять зон (фиг. 2К, Л).
2
Формирование сетчато-полой структуры 2 осуществляют с помощью создания отверстий 4 разной формы, которые включают, но не ограничиваются: окружностями (фиг. 3А, Б), овалами (фиг. 2Ж), пятиугольниками (фиг. 3В), шестиугольниками (фиг. 3Г), четырехугольниками - квадратами или ромбами (фиг. 3Д). При этом все сетчато-полые зоны 2 могут быть исполнены одинаковой формой отверстий (фиг. 2В) или разными, например, одна из зон - окружностями, другая - квадратами, (фиг. 4А). Для случая исполнения сетчато-полых зон 2 из отверстий 4 одинаковой формы, они могу различаться размерами, например - мелкие плотные окружности для одной и крупные рассеянные окружности - для другой зоны (фиг. 4Б). Размер круглых отверстий 4 может составлять от 0,05 до 0,95 мм в диаметре. Размер отверстий в виде многогранников (четырех-, пяти-, шестиугольников) может составлять от 0,05 до 0,95 мм по длине стороны. Размер овальных отверстий может составлять 0,0555 до 0,95 мм для большой оси эллипса, и 0,05 до 0,855 мм, коэффициент сжатия эллипса (эллиптичность) от 0,9 до 0,5. Плотность нанесения отверстий 4 может составлять 0,2-5 на 1 мм площади наружной поверхности каркаса.
Независимо от исполнения зоны в виде сетчато-полой 2 или цельной 3 конструкции, геометрическая форма зоны может быть варьирована таким образом, чтобы обеспечить оптимальную пациент-специфичную итоговую форму - высоту, диаметры, изгибы (рис. 5А-Г). Таким образом, возможно создание замкнутой симметричной или асимметричной почкообразной конструкции диметрами 15-45 мм, высотой 1-25 мм.
Материалы.
Каркас 1 вне зависимости от исполнения каждой из зон - сетчато-полой 2 или цельной 3, может быть выполнен из металлических материалов, примерами которых могут являться, но не ограничиваться:
1. титан и его сплавы: в т.ч. порошковый или пористый (CL 42TI; CL 41TI ELI);
2. нержавеющей стали медицинских сплавов, в т.ч. порошковый (304, 316, CL 92РН сплавы);
3. никелида титана сверхэластичный или с эффектом памяти формы: проволочного, или трубчатого, или листового (SE506, SE508, SE510).
Также каркас 1 может быть выполнен из полимерных биосовместимых материалов, имеющих разрешение на использование в имплантируемых устройствах длительного контакта с кровью. Примером таких материалов являются представители группы полиэтилена, поливинилхлорида, фторопласта, полиакрилатов, группы полиамидов; материалы на основе молочной и/или гликолевой кислоты, а также их полиэфирного сочетания; полиэфирэфиркетоны.
Функционирование.
Функция каркаса 1 заключается в создании необходимой жесткости для возврата формы патологически измененного фиброзного кольца к норме. При этом каркас 1 за счет своей зонированной, сетчато-полой структуры 2, может подвижно изгибаться в данной зоне(ах) 2 и, следовательно, обеспечивать общую подвижность каркаса в зависимости от требований для конкретного пациента. Например, при исполнении в виде сетчато-полой конструкции 2 боковых противолежащих зон (фиг. 2В) - обеспечивается возможность большая подвижность по короткой оси почкообразной формы кольца. В случае исполнения технического устройства с тремя соседними сетчато-полыми зонами 2 в области, соответствующей задней створке митрального клапана (фиг. 2Е) - обеспечивается большая подвижность задней сворки.
Методы изготовления.
Изготовление каркаса 1 осуществляют по известным технологиям, например, используя аддитивные технологии - 3D-принтинг металлами или полимерами на основе технологии лазерного спекания, экструзии методом послойного наплавления, фотополимеризацией или комбинации соответствующих методик. Кроме того, для изготовления могут быть использованы «вычитающие» технологии - лазерная резка, фрезерование с числовым программным управлением (ЧПУ), электроэрозия, испарение, растворение материала, сверление, точение, склеивание, строгание или комбинации соответствующих методик. Другим методом изготовления могут являться отливка на основе известных технологий - литье под давлением, компрессионное, вакуумное, механическое или свободное формование, термическое формование, спекание, горячая гибка или комбинация соответствующих методик. Также, возможно использование сочетаний описанных технологий из разных группы, например, 3D-принтинг и электроэрозия; фрезерование, лазерная резка и сверление; и т.д.
Персонификация изделия, расчет.
Расчет расположения отверстий 4, формирующих сетчато-полую структуру 2: их количество, форму, зоны для применения, осуществляют на этапе дооперационного планирования путем предварительного мультидисциплинарного анализа. В основе такого анализа лежат следующие данные: имеющиеся литературные знания о биомеханике нормального и патологически измененного фиброзного кольца митрального клапана; требования хирурга и/или хирургической бригады, осуществляющей планирование вмешательства; требования безопасности по прочности и долговечности функционирования всего персонифицированного протеза для аннулопластики митрального клапана; расчетные данные о напряженно-деформированном состоянии протеза-кольца и другие, потенциально весомые аргументы и гипотезы.
Биомеханическими аспектами данного планирования являются, но не ограничиваются данные об изменении диаметров фиброзного кольца в цикле «систол а-диастол а», изменения высоты и угла планарности, описанные, например, в статьях:
F. Mahmood, J.Н. Gorman, В. Subramaniam, R.С. Gorman, P.J. Panzica, R.C. Hagberg, A.B. Lerner, P.E. Hess, A. Maslow, K.R. Khabbaz, "Changes in mitral valve annular geometry after repair: Saddle-shaped versus flat annuloplasty rings", Ann. Thorac. Surg., 2010, doi: 10.1016/j.athoracsur.2010.03.119.
И.Ю. Журавлева, P.M. Шарифулин, А.В. Богачев-Прокофьев, Д.В. Нуштаев, О.Ю. Малахова, Д.П. Демидов, А.М. Караськов, "Создание трехмерной модели левых отделов сердца на основании данных эхокардиографии: инструмент для разработки транскатетерных клапанов", Российский кардиологический журнал, no. 8, pp. 75-81, Jan. 2017, doi: 10.15829/1560-4071-2017-8-75-81.
F. Mahmood, В. Subramaniam, J.H. Gorman, R.M. Levine, R.C. Gorman, A. Maslow, P.J. Panzica, R.M. Hagberg, S. Karthik, K.R. Khabbaz, "Three-Dimensional Echocardiographic Assessment of Changes in Mitral Valve Geometry After Valve Repair", Ann. Thorac. Surg., 2009, doi: 10.1016/j.athoracsur.2009.07.007.
M. Ryomoto, M. Mitsuno, M. Yamamura, H. Tanaka, S. Fukui, N. Tsujiya, T. Kajiyama, Y. Miyamoto, "Is physiologic annular dynamics preserved after mitral valve repair with rigid or semirigid ring?", Ann. Thorac. Surg., 2014, doi: 10.1016/j.athoracsur.2013.09.077.
В качестве требований хирургических специалистов могут выступать требования по обеспечению нужного диаметра(ов) протеза-кольца для обеспечения эффективности всей процедуры аннулопластики, требования по обеспечению безопасности и травмированию окружающих тканей - например, огибающей артерии, проходящей рядом с областью вмешательства.
Конструктивными требованиями безопасности по прочности и долговечности функционирования всего персонифицированного протеза для аннулопластики митрального клапана могу являться расчетные требования к устойчивости к формированию разломов при однократной нагрузке, а также количеству циклов сжатия/растяжения при многократном воздействии (200 млн циклов), которые регламентированы ГОСТ РФ.
В качестве расчетных данных о напряженно-деформированном состоянии выступают результаты численных или аналитических расчетов по известным технологиям и подходам - метода конечных элементов, метода конечных разностей, метода погруженной границы или комбинации соответствующих методов.
Таким образом, на основе комплекса данных, команда, осуществляющая планирование вмешательства, определяет геометрию (форму) зон, необходимость исполнения ее в виде сетчато-полой 2 или цельной 3 конструкции и параметры сетчато-полой структуры. После этого производитель, используя описанные выше технологии изготовления и материалы, изготавливает индивидуальное, персонифицированное кольцо-протез, обеспечивает стерилизацию, упаковку по известным технологиям и передает потребителю.
Пример использования.
Хирургическая бригада, осуществляющая вмешательство на митральном клапане, после получения персонифицированного протеза для аннулопластики митрального клапана от производителя, в стерильных условиях операционной осуществляет его имплантацию по известным технологиям. Например, по следующему сценарию:
После обеспечения стандартного хирургического доступа к митральному клапану, с использованием искусственного кровообращения, операционная сестра вскрывает упаковку с изделием, извлекает его, сохраняя стерильность, после чего передает оперирующему хирургу. Хирург производит фиксацию кольца-протеза к нативному фиброзному кольцу митрального клапана, используя хирургический шовный материал, накладывая 4-15 отдельных П-образных швов или используя непрерывный шов, благодаря чему притягивает биологические ткани к каркасу и восстанавливает запирательную функцию клапана - производит аннулопластику. После чего хирург завязывает узлы, убеждается в правильном наложении швов - отсутствии отхождений кольца-протеза по периметру от тканей пациента, отсутствии попадания нитей в область отверстия клапана, и завершает вмешательство по стандартному сценарию.