用于制备用于生物人工心脏瓣膜的瓣叶的设备和方法与流程

背景技术：

1、生物或生物人工心脏瓣膜（bhvs, bioprosthetic heart valves）目前广泛用于机械心脏瓣膜。机械心脏瓣膜由金属合金或塑料材料制成。由于血栓形成，机械心脏瓣膜需要抗凝治疗，这涉及出血风险。

2、生物人工心脏瓣膜（bhvs）可以分为经导管主动脉瓣膜（tavs, transcatheteraortic valves）和外科主动脉瓣膜（savs, surgical aortic valves）。

3、在过去几十年中，在患有瓣膜性心脏病（vhd, valvular heart diseases）的患者中人工心脏瓣膜的外科和经导管植入已经显著增加。人工心脏瓣膜的植入的一个示例是主动脉瓣置换（avr, aortic valve replacement）。这是一种常见的介入，其中天然心脏瓣膜被人工心脏瓣膜置换。

4、尽管savs通常应用于主动脉瓣疾病的治疗，但经导管主动脉瓣置换（也称为经皮经导管主动脉瓣植入（tavi，a transcatheter aortic valve implant））已经成为患有严重主动脉瓣狭窄的不能手术患者的治疗选择。

5、bhvs通常包括组装到bhv的柔性支架中的瓣膜元件，称为瓣叶或瓣尖。柔性支架允许瓣叶一起工作以复制天然瓣膜。

6、所述瓣叶通常由动物组织制成，动物组织例如为牛心包或猪心包。动物组织包括增强瓣叶的胶原纤维，从而为其提供结构完整性。这使得它们成为制造bhvs的最佳选择。

7、尽管bhvs优于机械心脏瓣膜，但是当植入bhvs时，瓣叶由于瓣膜的周期性打开和闭合而经受周期性机械应力。所述应力导致失效，因为瓣叶组织的机械响应很大程度上取决于胶原纤维的密度、分散度和取向，如通过s.hamed alavi et al. “

characterizing

the collagen fiber orientation in pericardial leaflets under mechanical

loading conditions”，ann biomed eng. 2013 mar; 41(3):547-61.所报道的。

8、已经发现，如果在bhvs的制造中选择胶原纤维相对于流动的给定取向，则可以获得对流动相关剪切应力的良好组织响应。然而，瓣叶不可避免地退化，这可能导致瓣膜功能障碍。因此，在老年患者中bhvs的平均寿命估计为15年。这就是目前大多数65岁以上患者当前选择它们的原因。

9、在这方面，现有技术的bhvs已经专注于提升耐久性。因此，已经对开发耐用bhvs进行了尝试，诸如例如在us6245105b1和us6553681b2中。他们的方法是选择用于生产多瓣叶生物人工心脏瓣膜的瓣叶，以确保最大的功能相容性。在wo 2013/003842 a1中，公开了一种用于评估和切割生物人工组织的方法。

10、在用于处理用于bhvs的瓣叶的已知现有技术装置和方法中，测量心包组织的厚度，并且选择将成为瓣叶的有用区域。然而，这是以低效的方式进行的，这使得该过程不足以有效地用于制造耐用的心脏瓣膜。

11、仍然需要更有效的装置和方法，以生产用于制造耐用生物人工心脏瓣膜（bhvs）的瓣叶。

技术实现思路

1、鉴于上述需要，本公开旨在提供一种用于有效制备用于制造生物人工心脏瓣膜（bhvs）的瓣叶的设备。本文还公开了一种用于使用所述设备制备用于生物人工心脏瓣膜的瓣叶的方法。

2、如下所述，通过下面将描述的方法，本设备能够有效地分析动物心包组织，自动选择所述分析组织的补片中的最适合区域，并自动切割待用作用于制造bhvs的瓣叶的所述选定区域，并对切割瓣叶进行最终质量控制、认证和分组。

3、为了阐明贯穿本说明书和权利要求书使用的一些术语，在下文中给出以下定义。

4、在整个本说明书中使用的术语“瓣叶”应理解为形成生物人工心脏瓣膜并提供其主要打开和关闭机构的元件或部分中的每一者，也称为瓣尖。主动脉瓣膜通常具有三个瓣叶。

5、术语“补片”在本文中是指一片组织，例如心包片，其已被切割成用于制造心脏瓣膜的瓣叶的尺寸。

6、在本公开的上下文中，“组织”是指包含胶原纤维层堆叠的任何动物材料。

7、术语“自动地”在本公开中应被解释为在很少或没有直接人类控制的情况下执行的任何动作或步骤。

8、同样在本公开的含义内，“瓣叶的制备”是指通过将在下文中描述的方法步骤布置瓣叶，使得它们准备好用于制造生物人工心脏瓣膜。

9、如本文所用，“检查瓣叶”是指光学检查瓣叶。

10、在本公开的含义内，“厚度方向分散度和取向（through thickness dispersionand orientation）”定义了补片或瓣叶中的胶原纤维的架构，即通过补片或瓣叶的所有层的胶原纤维的平均分散度和主导取向。

11、本公开中的术语“分散度”是指在心包组织的不同层处的胶原纤维的取向的变化。

12、本公开中的术语“取向”是指胶原纤维布置的方向，并且“主导取向”是指在组织的总厚度中大部分胶原纤维围绕其布置的方向。

13、如本文所用，“纤维尺寸”是指胶原纤维的直径。此外，“纤维间间距”在本文中是指胶原纤维之间的、限定其间间隔的空间。

14、在本公开的上下文中，“传感器”或“光学传感器”被理解为包括至少一个传感器相机、对应的传感器光学器件和合适的照明装置。

15、在第一方面，提供了一种用于制备用于生物人工心脏瓣膜的瓣叶的设备。本设备旨在处理来自动物心包组织的补片，其具有120×120mm的最大尺寸。然而，也可以根据需要设想其他值。

16、本设备包括数字化站，所述数字化站用于对动物心包组织的至少一个补片进行数字化。

17、所述用于对动物心包组织的至少一个补片进行数字化的站包括至少一个2d光学传感器。所述2d光学传感器适合于利用明场落射照明装置和透照装置中的至少一者对补片进行成像，以用于检测补片中的缺陷和评估补片中的胶原密度中的至少一者。为了评估补片中的胶原密度，2d光学传感器可以包括偏振光透照装置。

18、所述用于对动物心包组织的至少一个补片进行数字化的站还包括至少一个3d光学传感器。所述3d光学传感器适于获得补片的厚度分布图。为此目的，3d光学传感器可以是动态条纹投影、共焦、干涉测量和焦点变化中的一种。在另外的示例中，3d光学传感器可以包括具有优于15微米（μm）的横向分辨率和优于1μm的垂直分辨率的5百万像素相机。

19、在本公开的上下文中并且如本领域技术人员将清楚的，光学传感器更优的横向分辨率意味着在组织的表面上分辨更小的距离。因此，在上面的示例中，优于15μm的分辨率意味着分辨率具有低于15μm的值。在本公开的上下文中并且如本领域技术人员将清楚的，更优的垂直分辨率意味着在垂直于组织表面的方向上分辨更小尺寸的距离。因此，在上面的示例中，优于1μm的垂直分辨率意味着分辨率具有低于1μm的值。

20、所述用于对动物心包组织的至少一个补片进行数字化的站还包括小角光散射（sals，small-angle light scattering）传感器。已经改进了本sals传感器以获得补片中的胶原纤维的厚度方向分散度和取向分布图。

21、具体地，本sals传感器已经被改进以允许以微米尺度对特征进行快速组织分析，从而允许胶原纤维的纤维分散度和取向被快速表征以提供胶原纤维的架构映射，从而避免大量的手动干预。

22、本sals传感器提供了一种通过使用波长在纤维尺寸和纤维间间距的数量级内的激光器（例如波长为632.8nm的he-ne激光器）来快速定量胶原纤维的精确方法，如通过m.s.sacks et al., “

a small angle light scattering device for planar

connective tissue microstructural analysis”，annals of biomedical engineering,vol.25, pp. 678~589,1997所报道的。与标准的已知sals传感器相比，本sals传感器在投影屏幕和补片之间的短距离方面也是高度紧凑的，同时保持远场衍射条件。本sals传感器提供了关于局部胶原纤维分散度和取向的高分辨率信息，从而避免了对昂贵的设备和耗时的组织制备的需要，同时允许快速分析大面积的组织。

23、当激光束穿过心包组织的厚度时，获得对应于椭圆的远场衍射图案的特征图像。更详细地，改进型sals传感器允许获得远场衍射图案，在所述远场衍射图案中，由具有上述波长的聚焦激光束穿过的心包组织中的胶原纤维的相应层中的每一者中生成的衍射图案被叠加。由改进型sals传感器获得的这种远场衍射图案是椭圆。所述椭圆的特征在于所述椭圆的偏心率值以及长轴和短轴的取向。胶原纤维的厚度方向取向与椭圆的短轴的取向一致，并且胶原纤维的厚度方向分散度由椭圆的偏心率值评估。

24、已发现用改进型sals传感器获得的椭圆的偏心率和长轴的取向的结果与通过二次谐波产生（shg, second harmonic generation）显微镜观察到的纤维的架构一致。

25、椭圆的偏心率与补片的胶原纤维的分散度有关。在补片的不同层中以相同取向布置的纤维越多，聚集衍射图案越尖锐并且椭圆的偏心率越高。来自衍射图案的另一个相关参数是椭圆的长轴的角度，其对应于与补片组织的总厚度中纤维的主导取向的方向垂直的方向。从改进型sals传感器获得的这些参数将允许对补片中瓣叶的角度取向进行最适合选择。

26、本设备还包括选择站。选择站构造成为基于由上述数字化站获得的数字结果并根据至少一个瓣叶模型，来自动选择补片中被认为最适合形成合格瓣叶的区域。

27、该设备还可以包括切割站，所述切割站用于切割补片选定的最适合区域以形成瓣叶。所述切割站可以包括激光切割装置，该激光切割装置适于切割如上所述的补片选定的最适合区域。优选地，激光切割装置是co2激光切割装置。然而，不排除其他不同的构造，诸如例如其中切割站包括模切装置的那些构造。不排除用于切割补片选定的最适合区域以形成瓣叶的其他合适的切割装置。

28、如果需要，上述用于对补片进行数字化的站也可以构造成用于检查瓣叶。然而，可能优选的是，提供单独的瓣叶检查站。因此，在后一种情况下，除了用于对补片进行数字化的所述站之外，设备还可包括用于检查瓣叶的站。

29、所述检查站构造成用于在瓣叶中执行尺寸验证，测量瓣叶的厚度分布图，检测瓣叶中的关键缺陷，评估瓣叶中的胶原密度，并测量瓣叶中胶原纤维的厚度方向分散度和取向，并且当与瓣叶模型相比时将瓣叶视为合格或不合格。

30、分组站可以包括在本设备中。如果提供的话，分组站允许将合格瓣叶布置成至少两个瓣叶的组，以结合到bhv中。例如，在主动脉bhv的情况下，合格瓣叶将被分组到三个瓣叶的组。

31、在本设备中，补片或瓣叶从一个站到另一个站的输送可以通过合适的输送装置来自动地执行。合适的输送装置用于自动地将补片或瓣叶输送通过站。输送装置可以包括机器人。替代地，补片或瓣叶从一个站到另一个站的输送可以由操作者手动执行。本设备的自动和由操作者的组合操作是可能的。

32、本设备还可以包括用于心包组织的支撑装置，即用于支撑补片或瓣叶的支撑装置。所述支撑装置在干燥状态下表现为光学漫射表面，并且在湿润状态下（即当与水合补片或瓣叶接触时）也表现为光学透明表面。

33、可以优选的是，上述用于心包组织的支撑装置包括平面平行玻璃板。这种平面平行玻璃板具有上纹理侧和下抛光侧。平面平行玻璃板的上侧旨在接收补片或瓣叶的水合心包组织。

34、在本公开的另一方面，本文还提供了一种用于通过如上所述的设备制备用于bhvs的瓣叶的方法。

35、用于制备用于bhvs的瓣叶的本方法包括将动物心包组织的补片装载于上述数字化站，以用于对动物心包组织的至少一个补片进行数字化。

36、通过本方法，获得补片的2d明场图像和2d透照图像中的至少一者。还获得补片的3d厚度分布图以及补片中的胶原纤维的厚度方向取向和分散度分布图。

37、根据至少一个瓣叶模型，选择补片中被认为最适合形成合格瓣叶的区域。选择补片中的一个或多个最适合区域是基于从上述数字化站获得的数字结果，该数字化站旨在用于对动物心包组织的至少一个补片进行数字化。通过应用基于数学优化技术的优化过程来执行选择。最优地，数学优化技术是元启发式模拟退火概率技术。

38、上述选择步骤（在上述选择步骤中，根据瓣叶模型选择补片中被认为最适合形成合格瓣叶的一个或多个区域）可以涉及两个附加优化变量中的至少一者，这两个附加优化变量由连合部区域处的平均组织厚度高于瓣叶的组织厚度的平均值，以及连合部区域处的胶原密度高于瓣叶的胶原密度的平均值而产生。

39、在根据本方法的切割步骤中，切割补片选定的被认为最适合形成合格瓣叶的区域。所述切割步骤还可以包括在瓣叶中形成孔，用于随后将瓣叶缝合到bhv中的支架。优选地，bhv的支架构造为金属结构。

40、选择步骤还可以包括排除补片中具有关键缺陷或低密度胶原纤维的区域。所述选择步骤还可以包括确定瓣叶的最佳位置，所述瓣叶的最佳位置满足先前已经在瓣叶模型中定义的胶原纤维的厚度方向分散度和取向以及厚度参数。从2d明场图像和2d透照图像中的至少一者中检测待排除的区域中的关键缺陷，所述2d明场图像和2d透照图像从上述数字化站中的2d光学传感器获得。

41、用于制备用于bhvs的瓣叶的本方法还可以包括检查步骤，在其中检查瓣叶。这种检查步骤涉及在瓣叶中执行尺寸验证，测量瓣叶的厚度分布图，检测瓣叶中的关键缺陷，评估胶原密度，以及测量瓣叶中胶原纤维的厚度方向分散度和取向。最后，在检查步骤中，当与瓣叶模型相比时，瓣叶被认为合格或不合格。合格瓣叶被布置成至少两个瓣叶的组，以结合到bhv中。如果需要，该方法还可以包括在检查步骤之前将已经切割的瓣叶进行再水化。

42、如上所述，本设备和方法涉及对补片进行数字化，以及瓣叶的自动选择和切割，以及用于制造bhvs的瓣叶的检查、验证、认证和分组。因此，有利地获得了最终产品的质量和生产率的提升。由于本设备提供了用于制造bhvs的瓣叶的检查和制造的自动化，已经发现，有利地提升了效率、耐久性和质量，同时降低了成本。还实现了在制造过程期间的可追溯性方面的改进。所有这些都代表了对于需要植入bhvs的患者的巨大益处。