面向個性化需求的醫(yī)用血管支架力學(xué)性能快速分析及優(yōu)化研究.pdf

1、血管支架的介入性治療方法由于具有微創(chuàng)性和高效性，已成為治療血管狹窄性疾病的主流方法。然而，目前所研制的支架產(chǎn)品型號都已經(jīng)標準化、系列化，沒有考慮到不同患者在生理和病理方面的差異，所以植入的血管支架很難和病變處的血管組織達到最佳匹配，不但增加了患者痛苦而且還降低了治療效果。本文應(yīng)用現(xiàn)代先進的數(shù)字化設(shè)計手段，建立了一個集患者病變部位數(shù)據(jù)采集、支架快速設(shè)計、支架力學(xué)性能快速分析和支架結(jié)構(gòu)智能優(yōu)化為一體的個性化血管支架數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)，為患者提供

2、個性化的支架產(chǎn)品，從而在減少患者痛苦的同時提高治療效果。本文開發(fā)的個性化血管支架數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)不但可以實現(xiàn)支架設(shè)計的個性化，而且可以高質(zhì)量地實現(xiàn)血管支架的“設(shè)計-分析-優(yōu)化-再設(shè)計”的自適應(yīng)過程，從而能夠進一步提高支架的設(shè)計效率，加大計算機輔助設(shè)計的自動化程度。支架材料對其結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)特性有重要的影響，本論文的研究工作主要是針對316L不銹鋼支架開展的。本論文的主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　 (l)根據(jù)個性化血管支架數(shù)字化設(shè)計

3、系統(tǒng)的功能需求，本文對集成系統(tǒng)四個方面的核心問題（血管病變部位數(shù)據(jù)提取模塊設(shè)計、血管支架快速設(shè)計模塊設(shè)計、支架力學(xué)性能快速分析模塊設(shè)計、支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊設(shè)計）進行合理、科學(xué)的總體規(guī)劃，并確定個性化血管支架數(shù)字化設(shè)計集成系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)使各主要部分工作得以銜接與協(xié)調(diào)，集成系統(tǒng)的應(yīng)用得到不斷拓展和深化；從而為開發(fā)個性化血管支架數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)奠定了研究基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，明確了集成系統(tǒng)各主要部分所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，為全文的研究奠定了基礎(chǔ)

4、。
　　 (2)研究了支架長度、筋寬、筋厚、波形環(huán)高度、連接桿長度等的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)以及膨脹直徑等膨脹參數(shù)對回彈性和縮短性的影響，從而篩選出對這兩個性能影響比較顯著的參數(shù)，為集成系統(tǒng)中回彈性和縮短性力學(xué)性能預(yù)測模型以及優(yōu)化模塊中代理模型的建立奠定了理論基礎(chǔ)。研究了支架徑向回彈和軸向縮短變形過程數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)包括支架的幾何建模、材料模型選取、網(wǎng)格劃分、邊界條件、載荷定義、接觸處理、求解控制方法和計算精度等。對支架進行實物

5、回彈性和縮短性實驗，作為對支架回彈性和縮短性數(shù)值模擬的補充和合理性的驗證。
　　 (3)研究了支架的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對柔順性的影響，從而篩選出對柔順性影響比較顯著的參數(shù)，為集成系統(tǒng)中支架柔順性預(yù)測模型以及優(yōu)化模塊中代理模型的建立奠定了理論基礎(chǔ)。研究了支架彎曲變形過程數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)；研究了不同的支架材料對柔順性的影響，以及支架在自然狀態(tài)、壓握狀態(tài)和擴張狀態(tài)三種狀態(tài)下柔順性的差異性。針對支架柔順變形過程的特點，提出了支架體外測試方法，

6、對支架進行實物柔順實驗，作為對支架柔順數(shù)值模擬的補充和合理性的驗證。
　　 (4)研究了支架關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對屈曲載荷的影響，從而篩選出對屈曲載荷影響比較顯著的參數(shù)，為集成系統(tǒng)中支架屈曲性預(yù)測模型以及優(yōu)化模塊中代理模型的建立奠定了理論基礎(chǔ)。闡述了支架屈曲分析的理論基礎(chǔ)，研究了支架屈曲變形過程數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)，研究了血管支架特征值屈曲分析和材料/幾何雙非線性屈曲分析，并對它們的屈曲載荷進行了比較。針對支架屈曲變形過程的特點，提出了支架

7、體外屈曲載荷測試方法，對支架進行實物屈曲實驗，作為對支架屈曲數(shù)值模擬的補充和合理性的驗證。
　　 (5)研究了血管支架力學(xué)性能代理模型的建立方法，建立了支架關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)與其力學(xué)性能之間的力學(xué)性能代理模型。闡述了建立代理模型的理論基礎(chǔ)以及常用方法。研究了適合支架力學(xué)性能的代理模型建立方法，經(jīng)過和其他算法的比較，以及結(jié)合徑向基函數(shù)模型(RBF)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(ANN)的優(yōu)點，本文建立了支架關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)與力學(xué)性能之間的具有高度非線

8、性識別能力的RBF-ANN模型；并結(jié)合實例對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，對代理模型的精度進行了檢驗。該方法為高效準確地研究支架力學(xué)性能代理模型的建立提供了新的思路。
　　 (6)研究了針對個性化血管支架的力學(xué)性能優(yōu)化方法，實現(xiàn)了血管支架力學(xué)性能的單目標優(yōu)化和多目標優(yōu)化。闡述了遺傳算法的基本理論及優(yōu)化過程，重點闡述了多目標優(yōu)化問題的處理策略，以及多目標優(yōu)化算法的基本理論和工作流程。結(jié)合支架的徑向回彈性能和軸向縮短性能，研究了支架力學(xué)性能的單目標