Implementation of an anisotropic hyperelastic leaflet material model for valve-specific computational FSI simulations exemplified by the Avalus™ Bioprosthesis aortic valve

Abstract

Objectives: Fluid-structure-interaction (FSI) simulations are valuable for studying prosthetic valves. In this study, an experimental setup of a bioprosthetic bovine pericardium aortic valve under steady-state flow conditions was replicated in FSI simulations to create and assess different material models for accurately representing the pericardial valve material and for future dynamic simulations. Methods: A 21 mm AvalusTM Bioprosthesis was placed in a mock circuit with a straight tubular test section. Using 40% glycerol, a range of steady-state flows were created. The flow-rate and the transvalvular pressure were measured, and photos of the valve opening were taken to determine the effective orifice area (EOA). For the FSI simulations, a valve-specific geometric model was created by means of a μCT scan. A literature-based anisotropic hyperelastic leaflet material model was implemented and adapted to create one isotropic and two anisotropic models that better fit experimental findings. The simulation structure and applied boundary conditions represented the experimental setup. Simulated and experimental EOAs were compared and further simulation parameters were analyzed. Results: Simulations were performed on the Vienna Scientific Cluster supercomputer. In the experiment, an asymmetric valve opening was observed. In the simulations, each leaflet was assigned with the same material model resulting in more uniform valve openings. Differences between the adapted models were marginal and arose from differing fiber formulations only. Increasing fiber presence resulted in slightly stiffer materials and thus in smaller EOAs, increased turbulence kinetic energy, higher wall shear stress and greater maximum velocity at equal flow rates. Moreover, internal leaflet stresses were affected by the embedded fibers. At equal flow rates the isotropic material showed higher deformation while experiencing lower stresses compared with the anisotropic models. Conclusions: Isotropic models are suitable for studying valve opening behavior and flow characteristics and reduce computational effort, while a well-designed anisotropic model may be required for accurate prediction of internal stresses. However, to ensure a good manufacturer- specific material model mechanical testing and rigorous model validation with multiple valves may should be included before conducting dynamic simulations.

Zielsetzung: Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) Simulationen sind für die Untersuchung von Herzklappenprothesen sehr wertvoll. In dieser Studie wurde ein Experiment einer bioprothetischen Rinderperikard-Aortenklappe unter stationären Strömungsbedingungen in FSI- Simulationen nachgebildet, um verschiedene Materialmodelle zur genauen Darstellung des Perikardklappenmaterials und für zukünftige dynamische Simulationen zu erstellen und zu bewerten. Methoden: Eine 21-mm-AvalusTM-Bioprothese wurde in einen Versuchskreislauf eingesetzt. Unter Verwendung von 40-prozentigem Glycerin wurde eine Reihe von stationären Strömungen erzeugt. Die Flussrate und der transvalvuläre Druck wurden gemessen, und es wurden Fotos des offenen Ventils zur Bestimmung der effektive Öffnungsfläche gemacht. Für die FSI-Simulationen wurde mit Hilfe eines μCT-Scans ein klappenspezifisches geometrisches Modell erstellt. Für die Klappenflügel wurde ein literaturbasiertes anisotropes hyperelastisches Materialmodell implementiert und angepasst, um ein isotropes und zwei anisotrope Modelle zu erstellen, die besser mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Der Simulationsaufbau und die angewandten Randbedingungen bildeten das Experiment nach. Simulierte und experimentelle Öffnungsflächen und weitere Simulationsparameter wurden verglichen und analysiert. Ergebnisse: Die Klappenöffnung im Experiment war asymmetrisch. Die Simulationen wurden auf dem Vienna Scientific Cluster Supercomputer durchgeführt und beinhalteten gleiche Materialmodelle für alle Klappenflügel, was zu gleichmäßigeren Klappenöffnungen führte. Die Unterschiede zwischen den angepassten Modellen waren geringfügig und ergaben sich nur aus unterschiedlichen Faserformulierungen. Je mehr Fasern vorhanden waren, desto steifer waren die Materialien. Das resultierte bei gleichen Flussraten in kleineren effektiven Öffnungsflächen und somit in höheren kinetische Turbulenzenergien, Wandschubspannungen und Maximalgeschwindigkeiten. Außerdem beeinflussten die eingebetteten Fasern die entstehenden inneren Spannungen. Bei gleichen Flussraten wies das isotrope Material eine höhere Verformung auf, während die Spannungen im Vergleich zu den anisotropen Modellen geringer waren. Schlussfolgerungen: Isotrope Modelle eignen sich für die Untersuchung des Ventilöffnungs- verhaltens und der Strömungseigenschaften und verringern den Rechenaufwand, während für eine genaue Vorhersage der inneren Spannungen ein gut konzipiertes anisotropes Modell erforderlich sein kann. Um jedoch ein gutes herstellerspezifisches Materialmodell zu gewährleisten, sollten vor der Durchführung von dynamischen Simulationen mechanische Tests und eine robuste Modellvalidierung mit mehreren Ventilen durchgeführt werden.