人體血管支架有限元分析與結(jié)構(gòu)拓撲優(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重威脅。血管支架手術(shù)是發(fā)展最為迅速并得到廣泛運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。支架的性能和設計被普遍認為是影響支架內(nèi)再狹窄率的一個關(guān)鍵因素。由于支架尺寸微小，結(jié)構(gòu)復雜，加工和測試成本昂貴，用常規(guī)方法難以對支架性能和設計進行研究，因此有限元

2、分析和優(yōu)化方法成為支架研究和設計工作的重要手段。 本文使用大型有限元分析軟件 ANSYS 和拓撲優(yōu)化軟件 OptiStruct，針對目前支架性能和設計研究中面臨的一些新課題，建立了相應的有限元支架性能分析模型和支架設計優(yōu)化模型。這些模型包括：為研究支架的擴張性能，建立以“體積控制”球囊模型為核心的支架．球囊擴張模型；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撲優(yōu)化模型；為研究金屬生物可降解支架的力學行為，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-球囊擴張模型可以得到較為準確的支架擴張變形參數(shù)，模擬完整的支架擴張過程，并跟蹤高度非線性的球囊壓強-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行四點彎曲測試，并且實現(xiàn)對支架模型的復雜彎曲變形；不銹鋼支架在彎曲時發(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。支架在彎曲變形時應該盡量做到“整體變形”以減小血管發(fā)生嚴重脫垂的可能性；支架相鄰支撐筋應該盡量避免采用“峰-峰”設計而采用“峰-谷”設計，以減小支架彎曲時支架筋發(fā)生接觸和重疊的可能性。當支架植入彎曲血管后，支架端部在血管的外

5、彎曲處產(chǎn)生拐點并引起血管應力集中現(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)的支架設計應該考慮更柔軟的端部結(jié)構(gòu)設計。 使用 ANSYS 提供的形狀記憶合金材料模型可以較為準確的模擬鈦鎳合金的超彈性行為。使用剛體導管模型，可以將頸動脈支架模型輸送、釋放到分叉血管模型?？s短支撐筋的長度可以提高鈦鎳支架的順應性和支撐性能。 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)拓撲優(yōu)化后的支撐筋提高了14％的結(jié)構(gòu)剛度。在拓撲優(yōu)化過程中，加工約束對于生成簡單清晰的拓撲優(yōu)化結(jié)果起到了重要的作用，而 OptiStrut 所提供的 OSSmooth 功能為設計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計對支架的支撐性能、支架應力、支架應變和組織應力都有很大的影響。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力。 上述有限