Development and Simulation of a Computational Model for Transcatheter Balloon Valvuloplasty in Aortic Valve Stenosis

Abstract

Aortic valve stenosis is a common congenital heart defect among children. In affected patients, the normal tricuspid valve structure is malformed into a bicuspid valve structure due to a fusion at one commissure. A common treatment is transcatheter balloon valvuloplasty, where a balloon is inserted through the aortic valve and inflated to mechanically tear the fused region, restoring a tricuspid structure. However, this procedure can sometimes cause damage to the aortic valve, leading to serious complications. Computational simulations can help provide valuable insights into procedure suitability, parameter optimization, and patient selection. This study presents a computational model of balloon valvuloplasty and investigates the effects of balloon inflation angle through a
parameter study.

The model, based on the finite element method, was developed in the software Abaqus/Explicit. It included a balloon and a symmetric valve, with two leaflets fused by a cohesive region modeled using cohesive zone modeling. Seven inflation angles were investigated. The results validated the model’s ability to capture the expected valve response and showed that inflation angle plays a significant role in stress distribution across the valve, its deformation, contact pressure from the balloon, and extent of the tear. The use of cohesive zone modeling captured the tear behavior well, and the properties of the fused region were found to significantly affect the stress levels and distribution of the valve.

The developed model provides a good basis for future research, which could include the investigation of more asymmetrical valve morphologies and characterization of cohesive properties to match clinical cases.

Popular Abstract (Swedish)

Datorsimuleringar av barnhjärtinterventioner

Aortaklaffstenos är ett vanligt medfött hjärtfel hos barn, som innebär att aortaklaffen är trång och släpper igenom för lite blod. Aortaklaffen har vanligtvis tre klaffblad. I en typ av aortaklaffstenos har två av klaffbladen vuxit ihop, så att klaffen endast har två klaffblad. Detta leder till att klaffen inte kan öppnas helt vilket tvingar hjärtat att arbeta hårdare. Detta ökar risken för sjukdom och svår aortastenos kan i värsta fall leda till dödsfall.

En vanlig behandling för aortastenos vid bikuspida aortaklaffar är via kateterintervention där en ballong förs in i aortaklaffen och blåses upp för att vidga den och separera de ihopväxta klaffbladen. Tyvärr kan denna operation ibland orsaka skador på klaffen, vilket kan leda till allvarliga komplikationer. I detta projekt utvecklades en datormodell för att simulera händelseförloppet för ballongsprängningsingrepp (Figur 1b). Många faktorer påverkar resultatet av interventionen, som klaffmorfologi, ballongens diameter, ballongens geometri och uppblåsningsvinkel mot klaffen.

I projektet undersöktes påverkan av uppblåsningsvinkeln och resultaten visade att den har betydande inverkan på klaffens respons, spänningsfördelning, klaffdeformation samt separering av de ihopväxta klaffbladen (Figur 1a). Projektet undersökte även möjligheten att simulera det sammanväxta området med hjälp av ett modelleringsverktyg som imiterar en kohesiv zon, d.v.s. två ytor som är hoplimmade för att härma det ihopväxta området av den bikuspida klaffen, och hur egenskaperna hos detta påverkar klaffens respons. Resultaten visade att kohesiv zonmodellering är ett användbart verktyg som kan användas för att modellera separering av klaffbladen. Dessutom visade de att en mer motståndskraftig sammanväxning leder till högre spänningsnivåer och större deformationer före separering.

Den utvecklade modellen utgör en bra grund för framtida forskning, vilket kan inkludera undersökning av olika patientspecifika klaffmorfologier och karakterisering av sammanväxningszonens egenskaper baserat på kliniska fall. Projektet visar på potentialen av att använda datorsimuleringar för att förbättra barnhjärtinterventioner genom mer patientanpassade och optimerade behandlingsstrategier.

• author: Hemberg, Måns
• supervisor: Lea Christierson; Matti Ristinmaa; Petru Liuba
• organization: Department of Biomedical Engineering
• alternative title: Utveckling och simulering av en numerisk modell för kateterburen ballongvalvuloplastik vid aortastenos
• course: BMEM01 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Congenital aortic valve stenosis, balloon valvuloplasty, finite element modeling, cohesive zone modeling, computational simulations
• language: English
• additional info: 2025-02
• id: 9185342
• date added to LUP: 2025-03-11 09:35:22
• date last changed: 2025-03-11 10:47:22