基于凸入型內(nèi)壁模型的血管支架流固耦合系統(tǒng)的血流動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、隨著人民生活質(zhì)量的提高和生活方式的變化等，心血管疾病日益成為危害人類身體健康的常見(jiàn)病癥之一，其中又以冠心病危害最甚。支架植入術(shù)以其創(chuàng)口微小、效果顯著等優(yōu)勢(shì)成為冠心病的重要治療手段。但是支架內(nèi)再狹窄是支架植入術(shù)不可忽視的潛在威脅之一，而血流動(dòng)力學(xué)狀況與支架內(nèi)再狹窄密切相關(guān)，因此對(duì)植入支架后血管內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)的研究顯得尤為重要。由于血管形狀引起的曲率效應(yīng)和冠脈支架存在而導(dǎo)致的衍射現(xiàn)象及陰影區(qū)域，使得很難進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)研究，因此數(shù)值仿真技術(shù)在研究

2、血流動(dòng)力學(xué)方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。
　　目前大多數(shù)仿真研究是將支架處血管橫截面簡(jiǎn)化為圓面的模型（稱之為圓柱型內(nèi)壁模型）來(lái)進(jìn)行的，且多為假定血管壁是剛性壁的純流體分析。而實(shí)際上，根據(jù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和血管造影研究發(fā)現(xiàn)，支架擴(kuò)張會(huì)改變血管橫截面形狀，形成非圓截面;同時(shí)血管壁和血流之間存在相互作用。因此，本文以建立擴(kuò)張后變形支架血管耦合模型（稱之為凸入型內(nèi)壁模型）為切入點(diǎn)，進(jìn)行流固耦合分析，以研究冠脈內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)情況對(duì)支架內(nèi)再狹窄的影響，并對(duì)

3、支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出建議。本文的主要研究成果如下:
　　(1)研究了支架血管共同擴(kuò)張數(shù)值模擬的基礎(chǔ)理論和實(shí)施方法。通過(guò)幾何非線性、材料非線性和邊界條件非線性三個(gè)方面闡述了高度結(jié)構(gòu)非線性問(wèn)題，并推導(dǎo)了大變形基本理論。進(jìn)行了針對(duì)支架血管共同擴(kuò)張的數(shù)值模擬，得到了擴(kuò)張后血管、支架的變形結(jié)果，分析了支架的擴(kuò)張率和縮短率，以及模型各個(gè)部件的應(yīng)力應(yīng)變等模擬數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，支架擴(kuò)張后內(nèi)應(yīng)力在材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間，說(shuō)明支架擴(kuò)張完成后已經(jīng)產(chǎn)生塑

4、性變形，但是并沒(méi)有出現(xiàn)超過(guò)抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力而導(dǎo)致的支架斷裂現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)，在支架網(wǎng)孔內(nèi)，血管壁出現(xiàn)內(nèi)凸現(xiàn)象，這一現(xiàn)象是構(gòu)建更為準(zhǔn)確的血管支架流固耦合模型的基礎(chǔ)。
　　(2)研究了構(gòu)建變形后耦合模型的方法。本文中變形模型的重建主要依靠成果(1)中共同擴(kuò)張模擬后得到的變形的有限元模型。在后處理軟件中測(cè)量得到若干變形后有限元模型關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息，利用得到的節(jié)點(diǎn)位置信息，在三維建模軟件中重建了變形后的支架、血管耦合實(shí)體模型。該模型能夠準(zhǔn)確地反

5、映出支架擴(kuò)張后血管內(nèi)壁真實(shí)的變形情況。該模型將被應(yīng)用到后續(xù)的流固耦合分析當(dāng)中。
　　(3)研究了血管—支架流固耦合模型血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)，深入全面地研究了支架植入病變部位后血流、血管相互作用機(jī)理，以及支架內(nèi)再狹窄成因。首先對(duì)凸入型內(nèi)壁模型進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)低壁面剪應(yīng)力主要存在于支架桿和支架連接筋附近，脈動(dòng)流對(duì)血管壁沖擊作用明顯。其次對(duì)圓柱型內(nèi)壁模型和凸入型內(nèi)壁模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圓柱型內(nèi)壁模型弱化了低

6、壁面剪應(yīng)力區(qū)域，凸入型內(nèi)壁模型在支架區(qū)域受脈動(dòng)流沖擊導(dǎo)致的變形更為顯著。相比于圓柱型內(nèi)壁模型，凸入型內(nèi)壁模型更能真實(shí)地反映出支架內(nèi)再狹窄發(fā)生的情況，有利于后續(xù)的支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。最后對(duì)三種不同支架厚度的模型進(jìn)行了流固耦合分析，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然支架厚度對(duì)冠脈內(nèi)壁面剪應(yīng)力的整體分布影響不大，但是對(duì)低壁面剪應(yīng)力區(qū)域的分布影響較大。數(shù)值模擬結(jié)果表明，支架植入必然會(huì)導(dǎo)致近壁面血流發(fā)生擾動(dòng)，凸入的血管壁發(fā)生周期性應(yīng)力和位移，從而增大內(nèi)膜增生的可能性;在