冠脈支架的力學行為研究及其優(yōu)化設計.pdf

1、心血管疾病是威脅人類健康的頭號疾病之一，通常都與血管狹窄甚至閉塞阻礙了血液正常流動有關(guān)。經(jīng)皮冠狀動脈支架成形術(shù)具有微創(chuàng)性和手術(shù)成功率高等優(yōu)點成為治療這類疾病的主要手段之一，其技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展與提高，尤其是藥物支架的出現(xiàn)，成為支架技術(shù)的一個重大突破，但支架內(nèi)再狹窄(ISR)問題并沒有徹底解決，ISR成為支架技術(shù)發(fā)展的主要潛在局限性因素。本博士論文立足于當前冠脈支架治療心血管疾病的發(fā)展要求，以降低和預防支架內(nèi)再狹窄現(xiàn)象為出發(fā)點，以改善

2、冠脈支架的擴張性能、提高冠脈支架服役期的疲勞壽命和改善藥物支架在血管內(nèi)藥物釋放效用為目標，采用計算機輔助手段，主要完成了以下工作：
　?、沤⒘斯诿}支架力學特性分析的一體化模型，用于研究冠脈支架在狹窄血管內(nèi)擴張過程、支架植入后血管和支架內(nèi)的血流狀況，以及冠脈支架服役期的疲勞壽命分析的一體化過程。相對于現(xiàn)有模型在模擬求解支架內(nèi)血流狀況時通常忽略支架和血管組織擴張產(chǎn)生的不規(guī)則變形，該模型充分考慮了支架和血管組織擴張產(chǎn)生的不規(guī)則變形，使

3、計算模型更加逼近真實情況。利用該一體化模型分析了支架在狹窄血管內(nèi)擴張的力學特性，研究了支架內(nèi)血流動力學狀況以及血液與支架和血管的相互作用，并在此基礎(chǔ)上對支架在血流作用下的疲勞壽命進行了評估。此外，還考察分析了冠脈支架的彎曲性能，揭示了支架彎曲性能隨彎矩變化的規(guī)律，指出冠脈支架的連接支柱對其彎曲性能影響的重要性。研究表明，支架擴張過程中通常存在不均勻擴張的現(xiàn)象（即dogboning效應），支架在球囊卸載后存在徑向彈性回縮，它們都與再狹窄有

4、關(guān);支架在血流載荷作用下的疲勞壽命與其長期安全性有關(guān)。
　?、漆槍诿}支架設計中存在的設計目標與設計變量之間關(guān)系復雜且不能顯式表達的困難，將kriging代理模型優(yōu)化算法引入到冠脈支架的優(yōu)化設計當中，發(fā)展了一種與冠脈支架有限元分析相結(jié)合的kriging代理模型優(yōu)化算法，探索了在冠脈支架設計空間內(nèi)具有全局搜索能力的優(yōu)化設計方法，實現(xiàn)了冠脈支架在設計空間內(nèi)的全局最優(yōu)設計。然后針對提高冠脈支架擴張性能和疲勞壽命的優(yōu)化設計中存在的三個關(guān)鍵

5、問題進行了詳細討論，包括：①以支架幾何結(jié)構(gòu)為設計變量，以最小化支架dogboning效應為設計目標的優(yōu)化設計，揭示了支架四個關(guān)鍵尺寸對dogboning效應的影響規(guī)律。②以球囊長度為設計變量，以最小化支架dogboning效應為設計目標的優(yōu)化設計，揭示了球囊長度對dogboning效應的影響規(guī)律。③以冠脈支架幾何結(jié)構(gòu)為設計變量，以提高支架服役期疲勞壽命為目的的優(yōu)化設計，提高了冠脈支架服役期的疲勞壽命，分析了冠脈支架的疲勞特點。最后為滿足

6、冠脈支架設計中多個設計指標的需要，采用分級優(yōu)化和采用加權(quán)系數(shù)法分別實現(xiàn)了同時提高冠脈支架疲勞壽命和改善冠脈支架擴張性能的多目標優(yōu)化設計和提高冠脈支架綜合擴張性能的多目標優(yōu)化設計，為冠脈支架設計中如何協(xié)調(diào)多個設計目標的問題提供了參考。優(yōu)化結(jié)果表明，本文中發(fā)展的優(yōu)化算法能有效地應用于冠脈支架單目標和多目標的優(yōu)化設計，優(yōu)化后冠脈支架的性能得到了顯著提高，為冠脈支架設計提供嶄新的思路和方法。
　?、轻槍λ幬镏Ъ芩幬镝尫艈栴}中存在的藥效時間

7、難以控制的問題，建立了DES涂層藥物在血管內(nèi)釋放的計算模型，該模型充分考慮了藥物在各層內(nèi)的擴張作用以及層間的滲透作用。采用該模型模擬分析了藥物涂層支架的藥物在血管內(nèi)的釋放過程，揭示了藥物的釋放規(guī)律，并分析了涂層厚度和涂層滲透率對藥物釋放的影響。在此模擬求解和分析的基礎(chǔ)上，采用kriging代理模型優(yōu)化算法，以延長涂層中藥物釋放的藥效時間為目的，首次對藥物支架的涂層進行了優(yōu)化設計。結(jié)果表明：在攜帶藥物總量一定的前提下，優(yōu)化后涂層的藥物具有