有限元法的血管支架支撑性能研究与优化(附件)
随着Abaqus等有限元软件的普及和应用，使用有限元法分析和优化血管支架已经成为血管支架研究和设计工作的重要手段。目前国内外在支架支撑性能方面的研究尚有不足之处，再狭窄效应和“狗骨头”等瓶颈现象仍需进行更多的实验研究。本文通过有限元分析法对钴铬合金冠脉支架的支撑性能进行研究，设计提出了三种支架结构，并对其进行静态耦合和扩张，最终得出了一种大圆型支架，即弯曲部分半径大曲率半径小的结构，其在径向回弹率方面与其他两种支架结构相比，径向回弹率更小，显示出这种支架结构在支撑性能方面有一种优势。关键词 钴铬合金，冠脉支架，支撑性能，有限元分析
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 血管支架的起源和发展 2
1.3 选题的意义和主要研究内容 4
2 冠脉支架有限元模型的建立 5
2.1 血管支架的有限元摸拟研究现状 5
2.2 应用软件介绍 6
2.3 支架几何模型的建立 7
3 支撑性能研究与分析 11
3.1 静态耦合过程 11
3.2 支架径向回弹率分析 14
3.3 分析总结 17
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 心血管疾病的危害
随着人们物质生活的改善、生活理念的改变、所摄入食物营养的不均衡以及日常缺乏必要的身体锻炼等多种因素，从而导致心血管疾病发病率越来越高。由心血管狭窄引起的冠心病已经成为危及人类健康的主要疾病之一。冠心病是冠状动脉粥样硬化性心脏病的简称，它是由于心脏部分的冠状动脉内壁上发生了粥样硬化。人全身各个部位需要血液通过血管进行循环，将营养成分带到各个部位，当血管出现病变时，血管壁纤维硬化、血液里坏死细胞、过剩的脂肪以及血管壁上崩解的物质等“血管污垢”附着在血管壁上，导致血管壁增厚变硬、血管腔狭窄。正常的血液循环就会受到阻碍，进而影响到整个身体的健康状况。血管粥样硬化如图1.1所示：
/
图1.1 血管粥样硬化
血管粥样硬化斑块 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
的产生，最终会致使血管内腔阻塞，妨碍血液的正常流通。心脏部位血流量减少，供氧不足，会产生一系列的缺血性表现，例如心绞痛、胸闷、心肌梗塞、甚至猝死等非常严重的症状。根据世界卫生组织发布的报告显示，冠心病是全球死亡率最高的疾病之一。早在2004年，全球死于由血管阻塞而引起的心脏病的病人约有720万，这一数据在总死亡人数中的占比高达12%。根据世界卫生组织2011年的报告，中国的冠心病死亡人数已列世界第二位，每年死于脑梗和心肌梗塞的人数多达260万人，这个数字还在不断上升。
1.1.2 心血管狭窄的治疗
目前，心血管狭窄的治疗手段主要分为药物治疗，外科手术治疗以及介入治疗三种。其中，药物治疗是所有治疗方式的基础，通过药物治疗可以缓解症状，降低疾病继续恶化的概率，延缓血管再狭窄的进度。但药物治疗治标不治本，药物治疗多半只能缓解症状，并不能对病变处做出一些实质性的治疗，与此同时，药物治疗的副作用较大，病人非常容易对药物产生依懒性，在较长的治疗周期中，甚至会产生抗药性等不可控的结果。因此药物治疗只能做为一种辅助的治疗手段。外科手术治疗大多指的是冠状动脉搭桥手术，这种治疗手段是通过对血管的移植，在病变处另搭一条血管通道，使得血液在流经病变处时能通过新搭的血管进行正常的体内循环，如图1.2(a)所示。虽然这种治疗方式的见效快，疗效好，但是这种手术比较复杂，需要开胸，对病人的创伤大，恢复时间较长，而且患血管狭窄这类疾病病人的普遍年纪较大，所以并不是治疗血管狭窄疾病的首选，只有当病人的病情非常严重且不适合支架植入术时，才会通过这个方法治疗。
最后占主导地位的治疗方法就是血管支架植入术，血管支架植入术是目前治疗冠心病最有效的手段之一，如图1.2(b)。血管支架是指在管腔球囊扩张成形的基础上，在病变段置入内支架以达到支撑狭窄闭塞段血管，减少血管弹性回缩及再塑形，保持血管腔内血液循环顺畅，部分支架还具有预防再狭窄的作用。血管支架植入术是一种介于内科和外科之间的另一种临床治疗方法，统称为介入治疗法。
（b）
/ /
（a） 外科手术治疗法 （b） 介入治疗法
图1.2 两种手术治疗法
1.2 血管支架的起源和发展
血管内支架是经皮插入狭窄动脉以使血液灌注到下游组织的医疗器械。尽管药物洗脱支架等新一代技术在疗效方面有新的突破，但这些支架的功效仍然存在一些关键问题。再狭窄，即血管成形术或支架置入术后动脉再狭窄，是这些手术之后最常见的情况，通常发生在初次手术之后的几个月。影响再狭窄的程度的因素有很多，比如内皮细胞受损程度和损伤深度，斑块的组成和形状，支架扩张类型（自扩或球囊扩张）、支架的设计和局部流体力学。由于动脉内植入的支架会产生异常应力和动脉壁变形，不难想象，它可能对支架内再狭窄的后期进展有一定的影响。
Beule[1]与Auricchio[2]在文献中简要介绍了血管疾病的一些方面及治疗方法，并指出支架植入术在治疗血管疾病中扮演越来越重要的角色。支架是用于支撑血管的，主要是网状金属管结构，目前一般管材切割支架的结构由支撑环和连接杆组成 ,如图1.3所示：
/
图1.3 支架的结构示意图
随着ABAQUS等有限元软件的普及和应用，使用有限元法分析和优化血管支架已经成为血管支架研究和设计工作的重要手段。在国外，Petrini[3]和Kumar[4]都在各自的文章中指出支架疗法已经广泛应用于治疗动脉粥样硬化性血管疾病（冠心病）等血管疾病。正因为这些设备的高成本、巨大的商业价值以及美好的发展前景，所以有限元分析在血管支架分析设计方面的应用就显得尤为重要，传统的试验和技术并不能带来质的飞越。Francesca[57]等人在发表的文献中提到，由于血管支架的特性，支架的轴向和周向都被血管所限制，纵向弹性是冠状动脉支架的重要性质，Ragkousis[8]和Barragan[9]通过对一例患者冠状动脉纵向支架变形的模拟研究，以及有限元软件对四个不同的生产厂家生产设计的血管支架进行纵向压缩性能的比较研究后得出，支架的结构设计是决定冠状动脉支架平台纵向压缩性能的主要因素。对支架灵活性的主观描述有很多，但是很少有独立的定量数据来支持灵活性外形在支架设计时是比较合理的选择。对于支架纵向的伸缩性能，Mori[10]则进行了补充：支架在病变部位释放后,其支撑力主要由支撑体提供,连接体对支撑力没有影响;对于纵向上的伸缩行为,两种不同类型的支架出现了明显的差异性,这表明在螺旋排列的情况下,连接体的结构类型影响了支架的纵向上的伸缩行为。随着通过有限元法对血管支架的深入了解，在支架的使用寿命方面Azaouzi[1112]等人觉得支架的支架置入条件和支架设计对支架支撑性能的影响至关重要，通过实验证明动脉扩张的百分比和支板的尺寸(形成支架的基本结构单元)对支架置入后的支撑性能有影响。Schiavone[1314]等人发现，在支架部署后，最大的Von Mises应力出现在支架弯曲程度最高的地方，其大小取决于材料和塑性变形的严重程度。对于血管壁上动脉粥样硬化斑块处，尤其是在与支架直接接触的斑块中的应力，对于不同的支架设计和材料在分布和大小方面都有明显的不同。斑块上应力的改变也严重影响支架动脉系统的扩张行为。
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 血管支架的起源和发展 2
1.3 选题的意义和主要研究内容 4
2 冠脉支架有限元模型的建立 5
2.1 血管支架的有限元摸拟研究现状 5
2.2 应用软件介绍 6
2.3 支架几何模型的建立 7
3 支撑性能研究与分析 11
3.1 静态耦合过程 11
3.2 支架径向回弹率分析 14
3.3 分析总结 17
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 心血管疾病的危害
随着人们物质生活的改善、生活理念的改变、所摄入食物营养的不均衡以及日常缺乏必要的身体锻炼等多种因素，从而导致心血管疾病发病率越来越高。由心血管狭窄引起的冠心病已经成为危及人类健康的主要疾病之一。冠心病是冠状动脉粥样硬化性心脏病的简称，它是由于心脏部分的冠状动脉内壁上发生了粥样硬化。人全身各个部位需要血液通过血管进行循环，将营养成分带到各个部位，当血管出现病变时，血管壁纤维硬化、血液里坏死细胞、过剩的脂肪以及血管壁上崩解的物质等“血管污垢”附着在血管壁上，导致血管壁增厚变硬、血管腔狭窄。正常的血液循环就会受到阻碍，进而影响到整个身体的健康状况。血管粥样硬化如图1.1所示：
/
图1.1 血管粥样硬化
血管粥样硬化斑块 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
的产生，最终会致使血管内腔阻塞，妨碍血液的正常流通。心脏部位血流量减少，供氧不足，会产生一系列的缺血性表现，例如心绞痛、胸闷、心肌梗塞、甚至猝死等非常严重的症状。根据世界卫生组织发布的报告显示，冠心病是全球死亡率最高的疾病之一。早在2004年，全球死于由血管阻塞而引起的心脏病的病人约有720万，这一数据在总死亡人数中的占比高达12%。根据世界卫生组织2011年的报告，中国的冠心病死亡人数已列世界第二位，每年死于脑梗和心肌梗塞的人数多达260万人，这个数字还在不断上升。
1.1.2 心血管狭窄的治疗
目前，心血管狭窄的治疗手段主要分为药物治疗，外科手术治疗以及介入治疗三种。其中，药物治疗是所有治疗方式的基础，通过药物治疗可以缓解症状，降低疾病继续恶化的概率，延缓血管再狭窄的进度。但药物治疗治标不治本，药物治疗多半只能缓解症状，并不能对病变处做出一些实质性的治疗，与此同时，药物治疗的副作用较大，病人非常容易对药物产生依懒性，在较长的治疗周期中，甚至会产生抗药性等不可控的结果。因此药物治疗只能做为一种辅助的治疗手段。外科手术治疗大多指的是冠状动脉搭桥手术，这种治疗手段是通过对血管的移植，在病变处另搭一条血管通道，使得血液在流经病变处时能通过新搭的血管进行正常的体内循环，如图1.2(a)所示。虽然这种治疗方式的见效快，疗效好，但是这种手术比较复杂，需要开胸，对病人的创伤大，恢复时间较长，而且患血管狭窄这类疾病病人的普遍年纪较大，所以并不是治疗血管狭窄疾病的首选，只有当病人的病情非常严重且不适合支架植入术时，才会通过这个方法治疗。
最后占主导地位的治疗方法就是血管支架植入术，血管支架植入术是目前治疗冠心病最有效的手段之一，如图1.2(b)。血管支架是指在管腔球囊扩张成形的基础上，在病变段置入内支架以达到支撑狭窄闭塞段血管，减少血管弹性回缩及再塑形，保持血管腔内血液循环顺畅，部分支架还具有预防再狭窄的作用。血管支架植入术是一种介于内科和外科之间的另一种临床治疗方法，统称为介入治疗法。
（b）
/ /
（a） 外科手术治疗法 （b） 介入治疗法
图1.2 两种手术治疗法
1.2 血管支架的起源和发展
血管内支架是经皮插入狭窄动脉以使血液灌注到下游组织的医疗器械。尽管药物洗脱支架等新一代技术在疗效方面有新的突破，但这些支架的功效仍然存在一些关键问题。再狭窄，即血管成形术或支架置入术后动脉再狭窄，是这些手术之后最常见的情况，通常发生在初次手术之后的几个月。影响再狭窄的程度的因素有很多，比如内皮细胞受损程度和损伤深度，斑块的组成和形状，支架扩张类型（自扩或球囊扩张）、支架的设计和局部流体力学。由于动脉内植入的支架会产生异常应力和动脉壁变形，不难想象，它可能对支架内再狭窄的后期进展有一定的影响。
Beule[1]与Auricchio[2]在文献中简要介绍了血管疾病的一些方面及治疗方法，并指出支架植入术在治疗血管疾病中扮演越来越重要的角色。支架是用于支撑血管的，主要是网状金属管结构，目前一般管材切割支架的结构由支撑环和连接杆组成 ,如图1.3所示：
/
图1.3 支架的结构示意图
随着ABAQUS等有限元软件的普及和应用，使用有限元法分析和优化血管支架已经成为血管支架研究和设计工作的重要手段。在国外，Petrini[3]和Kumar[4]都在各自的文章中指出支架疗法已经广泛应用于治疗动脉粥样硬化性血管疾病（冠心病）等血管疾病。正因为这些设备的高成本、巨大的商业价值以及美好的发展前景，所以有限元分析在血管支架分析设计方面的应用就显得尤为重要，传统的试验和技术并不能带来质的飞越。Francesca[57]等人在发表的文献中提到，由于血管支架的特性，支架的轴向和周向都被血管所限制，纵向弹性是冠状动脉支架的重要性质，Ragkousis[8]和Barragan[9]通过对一例患者冠状动脉纵向支架变形的模拟研究，以及有限元软件对四个不同的生产厂家生产设计的血管支架进行纵向压缩性能的比较研究后得出，支架的结构设计是决定冠状动脉支架平台纵向压缩性能的主要因素。对支架灵活性的主观描述有很多，但是很少有独立的定量数据来支持灵活性外形在支架设计时是比较合理的选择。对于支架纵向的伸缩性能，Mori[10]则进行了补充：支架在病变部位释放后,其支撑力主要由支撑体提供,连接体对支撑力没有影响;对于纵向上的伸缩行为,两种不同类型的支架出现了明显的差异性,这表明在螺旋排列的情况下,连接体的结构类型影响了支架的纵向上的伸缩行为。随着通过有限元法对血管支架的深入了解，在支架的使用寿命方面Azaouzi[1112]等人觉得支架的支架置入条件和支架设计对支架支撑性能的影响至关重要，通过实验证明动脉扩张的百分比和支板的尺寸(形成支架的基本结构单元)对支架置入后的支撑性能有影响。Schiavone[1314]等人发现，在支架部署后，最大的Von Mises应力出现在支架弯曲程度最高的地方，其大小取决于材料和塑性变形的严重程度。对于血管壁上动脉粥样硬化斑块处，尤其是在与支架直接接触的斑块中的应力，对于不同的支架设计和材料在分布和大小方面都有明显的不同。斑块上应力的改变也严重影响支架动脉系统的扩张行为。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/1614.html
