人體血管支架有限元分析與結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化.pdf

1、動脈粥樣硬化引起的各種血管阻塞疾病，對人類的健康和生命安全造成了嚴(yán)重威脅。血管支架手術(shù)是發(fā)展最為迅速并得到廣泛運(yùn)用的一種血管阻塞疾病治療手段。支架植入血管后，可能發(fā)生支架內(nèi)再狹窄。雖然藥物洗脫支架從一定程度上降低了再狹窄的發(fā)生率，但是支架內(nèi)再狹窄仍然是影響支架手術(shù)效果的重要原因。支架的性能和設(shè)計(jì)被普遍認(rèn)為是影響支架內(nèi)再狹窄率的一個(gè)關(guān)鍵因素。由于支架尺寸微小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和測試成本昂貴，用常規(guī)方法難以對支架性能和設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，因此有限元

2、分析和優(yōu)化方法成為支架研究和設(shè)計(jì)工作的重要手段。 本文使用大型有限元分析軟件 ANSYS 和拓?fù)鋬?yōu)化軟件 OptiStruct，針對目前支架性能和設(shè)計(jì)研究中面臨的一些新課題，建立了相應(yīng)的有限元支架性能分析模型和支架設(shè)計(jì)優(yōu)化模型。這些模型包括：為研究支架的擴(kuò)張性能，建立以“體積控制”球囊模型為核心的支架．球囊擴(kuò)張模型；為研究支架的彎曲變形性能，分別建立了以多約束單元為基礎(chǔ)的支架柔性測量模型，以彎曲血管剛體為基礎(chǔ)的支架筋間單元面積和

3、筋分布測量模型，以及支架與彎曲冠脈的相互作用模型；為研究鈦鎳自膨脹支架與分叉血管的相互作用，建立頸動脈支架植入模型；為優(yōu)化儲庫式藥物洗脫支架的結(jié)構(gòu)，建立儲庫式支架的拓?fù)鋬?yōu)化模型；為研究金屬生物可降解支架的力學(xué)行為，建立純鐵生物可降解支架植入模型。各有限元模型的模擬結(jié)果表明： 支架-球囊擴(kuò)張模型可以得到較為準(zhǔn)確的支架擴(kuò)張變形參數(shù)，模擬完整的支架擴(kuò)張過程，并跟蹤高度非線性的球囊壓強(qiáng)-支架直徑變化關(guān)系。 支架柔性測量模型可以對

4、三維支架模型的柔性進(jìn)行四點(diǎn)彎曲測試，并且實(shí)現(xiàn)對支架模型的復(fù)雜彎曲變形；不銹鋼支架在彎曲時(shí)發(fā)生的塑性變形將大大增加支架的柔性。支架筋問單元面積和筋分布測量模型對比了Express和Nirflex兩種支架模型的彎曲變形。支架在彎曲變形時(shí)應(yīng)該盡量做到“整體變形”以減小血管發(fā)生嚴(yán)重脫垂的可能性；支架相鄰支撐筋應(yīng)該盡量避免采用“峰-峰”設(shè)計(jì)而采用“峰-谷”設(shè)計(jì)，以減小支架彎曲時(shí)支架筋發(fā)生接觸和重疊的可能性。當(dāng)支架植入彎曲血管后，支架端部在血管的外

5、彎曲處產(chǎn)生拐點(diǎn)并引起血管應(yīng)力集中現(xiàn)象；血管的外彎曲與支架端部發(fā)生分離，并對血液動力學(xué)以及藥物洗脫支架的藥物作用造成不利影響。植入彎曲血管內(nèi)的支架設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮更柔軟的端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 使用 ANSYS 提供的形狀記憶合金材料模型可以較為準(zhǔn)確的模擬鈦鎳合金的超彈性行為。使用剛體導(dǎo)管模型，可以將頸動脈支架模型輸送、釋放到分叉血管模型。縮短支撐筋的長度可以提高鈦鎳支架的順應(yīng)性和支撐性能。 在保持儲庫式藥物洗脫支架平臺原有體積和載藥

6、性能的前提下，經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的支撐筋提高了14％的結(jié)構(gòu)剛度。在拓?fù)鋬?yōu)化過程中，加工約束對于生成簡單清晰的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果起到了重要的作用，而 OptiStrut 所提供的 OSSmooth 功能為設(shè)計(jì)概念的生成提供了很大的方便。 可降解純鐵支架的支撐筋寬度和厚度的設(shè)計(jì)對支架的支撐性能、支架應(yīng)力、支架應(yīng)變和組織應(yīng)力都有很大的影響。與外形相同的不銹鋼支架相比，可降解純鐵支架支撐力偏低，但大大降低了支架植入造成的組織應(yīng)力。 上述有限