不锈钢冠脉支架耦合扩张变形生物力学性能的模拟研究

利用非线性有限元方法仿真模拟不锈钢(SUS-316L)3种不同结构冠脉支架动静态耦合扩张过程和生物力学性能。研究支架在压握收缩、自由扩张、卸载过程以及脉流循环变应力持续作用过程中有限元模型的网格划分、材料本构模型建立、边界条件、载荷定义和接触处理等关键技术。根据有限元计算结果得到了3种支架在耦合扩张过程中最大等效应力为807.9MPa,最大塑性应变为0.208;3种支架的轴向缩短率、径向反弹率、扩张不均匀性都在13%以内,静态安全系数1.3,动态安全系数1.1;并与实验测试数据进行分析比较,理论分析与体外扩张实验结果吻合较好,误差在7%以内,验证了有限元模拟的准确性和合理性。本文的模拟方法为冠脉支架的优化设计、新产品开发以及临床评估提供了科学的依据。     

球囊扩张式冠脉支架扩张变形机理的数值方法研究

通过非线性有限元方法,建立了球囊扩张式冠脉支架自由扩张和狭窄血管体内扩张的数值计算模型。针对两种不同联接筋结构的冠脉支架,分析了S型和N型支架的自由扩张性能和介入狭窄血管后的体内扩张性能,研究了支架结构对血管组织机械损伤的影响机理。数值模拟结果表明,在自由扩张阶段,S型和N型支架变形均匀,两种支架的径向回弹率和轴向短缩率趋于一致,并且具有良好的扩张均匀性与一致性,有利于支架扩张狭窄血管和在血管内的精确定位。在体内扩张阶段,由于狭窄血管的约束作用,S型和N型支架的径向回弹率均高于自由扩张阶段,轴向短缩率均低于自由扩张阶段;但是S型支架介入狭窄血管后的径向回弹率和轴向短缩率略高于N型支架,引起了更低的血管应力水平和应力梯度,减少了血管组织的机械损伤,降低了支架介入术后的血管内再狭窄率。综上,提出的计算模型对于冠脉支架的生物力学性能评估、结构优化设计与介入术后的血管损伤评价提供了重要的理论依据。     

冠脉支架膨胀过程的有限元模拟

在研究确定了冠脉支架的几何模型、有限元模型、材料模型、边界条件、求解控制的基础上,利用有限元法对冠脉支架的膨胀过程进行了模拟分析,并对分析结果进行了实验验证.结果表明,利用有限元法建立的力学模型可以在不考虑球囊和血管作用的情况下,较好地模拟和分析冠脉支架的实际膨胀过程.通过该方法设计制造的冠脉支架长度缩短率和狗骨头率分别达到1.31%和3.66%,与有限元分析结果吻合良好.该方法可为新型结构冠脉支架的优化设计提供依据.     

无镍不锈钢冠脉支架力学行为的有限元模拟

以无镍不锈钢为支架材料,以冠脉支架结构为研究对象,对其压缩和扩张过程中的力学行为和柔顺性能进行了模拟计算,研究了支架压握并扩张后的轴向回弹率、径向回弹率以及不同端部网丝宽度支架的变形行为,计算出支架的弯矩-挠度曲线及支架的柔软度。结果表明,所研究的无镍不锈钢支架具有较小的轴向与径向回弹率,在变形过程中表现出良好的弹性弯曲变形性能。     

不同扩张尺度对非对称椎动脉支架力学性能影响的研究

在临床治疗中,不同尺寸的狭窄血管所需要支架扩张的尺度也不同,而支架的扩张尺度对其力学性能有着重要影响。利用有限元方法仿真模拟分析了三款不同支架的体外扩张过程,主要研究了结构相同时不同扩张尺度对支架力学性能的影响。结果显示:随着支架扩张直径的增大,支架的最大等效应力、轴向短缩率、扩张不均匀性及柔顺性能呈递增趋势,支撑刚度和静安全系数呈递减趋势;支架的径向回弹主要受到其材料和结构影响,扩张尺度并不起决定性作用;通过与实验结果相比对,理论值与实验值结果吻合较好,误差在7%以内,验证了有限元模拟的准确性及合理性;利用动物实验对支架治疗效果进行验证,表明了支架的植入治疗是安全且有效的。综合考虑各因素影响,支架的治疗效果受支架扩张尺度的影响较大,这为临床治疗的顺利实施提供了良好的理论依据。     

冠脉血管支架介入耦合系统力学行为数值模拟研究

针对冠脉支架植入术后引起的血管内再狭窄问题,开展了冠脉支架介入耦合系统力学行为的数值模拟研究。基于Ogden非线性弹性理论,构建了冠脉血管和动脉粥样硬化斑块的超弹性本构模型。通过非线性有限元法,建立了冠脉支架与狭窄血管的耦合作用模型,研究了冠脉支架在经历压握收缩、压握卸载、球囊扩张与球囊收缩等介入过程后的体内扩张性能,分析了冠脉支架的介入对狭窄血管损伤及再狭窄的力学影响因素。对比分析了S型支架和N型支架介入后狭窄冠脉血管的生物力学响应,数值计算结果表明:狭窄冠脉血管在支架支撑体波峰处存在较高的应力梯度,而且由于2种支架联接筋结构的类似性,血管内膜与斑块的应力分布规律一致。但是,N型支架的径向回弹率与轴向短缩率均小于S型支架,导致了更高的狭窄血管壁面峰值应力和应力梯度,更易于引起冠脉血管损伤造成血管内再狭窄。综上,该文提出的冠脉支架介入耦合系统力学模型,对于优化支架结构、抑制冠脉血管再狭窄问题,提供了重要的理论依据和临床参考。     

狭窄血管内支架变形行为及力学性能模拟研究

狭窄率反映血管的堵塞程度,不同狭窄率对血管内支架力学性能的影响不同。利用有限元法对4种支架分别在30%,40%,50%的狭窄血管内进行力学性能模拟分析,研究狭窄率对支架变形行为和力学性能的影响。结果显示,狭窄率对支架的等效应力影响较小,而支架结构对血管内应力分布具有明显的影响,其中开环支架对血管内应力影响大于闭环支架;随着血管内狭窄率的升高,支架轴向缩短率呈减小的趋势、径向回弹率与扩张不均匀性呈增大的趋势,血管内等效应力具有增加的趋势;狭窄率对闭环支架径向回弹率与扩张不均匀性的影响比开环支架更显著。通过对狭窄率影响的分析,再现了不同堵塞程度血管对不同支架的影响,为支架的设计与植入提供理论依据。     

个性化冠状动脉支架轴向缩短性能有限元分析

轴向缩短性是个性化冠脉支架很重要的一个力学性能,它决定了支架长度的选用及定位的精确度。以个性化冠脉支架为研究对象,利用有限元方法研究它的设计参数及膨胀直径对轴向缩短性的影响。结果显示,L型支架缩短性最好,M型支架缩短性最差;支架波形环高度和膨胀直径对轴向缩短性的影响比较显著,增加波形环高度能够降低支架缩短率,但是,增加支架的膨胀直径却会提高支架的缩短率;此外,支架的筋宽、筋厚、波形环曲率半径、连接杆长度对缩短性虽有一点影响,但影响甚微。因此,有限元法对个性化支架力学行为分析具有很大的帮助,为支架的临床选择及优化设计提供了重要指导作用。     

冠状动脉支架设计参数对支架弹性回弹性能的影响

冠状动脉支架作为经皮穿刺冠状动脉成形术中保持病变血管畅通的核心器件,其低的弹性回弹性能已作为新一代冠脉支架所应具有的重要力学特征。依据冠脉支架回弹性能的实际测试原型,建立了具有代表性的通用支架有限元模型,并利用此方法研究了冠脉支架设计参数对支架弹性回弹性能的影响。结果显示,支架波形环高度和花冠数在所有研究参数中对回弹性的影响最为显著,增加支架筋宽或者筋厚通常能够降低支架回弹率,但是,增加支架波形环高度或者波形环曲率半径通常会提高支架回弹率。此外,增加支架花冠数也会提高支架的回弹率。因此,有限元法对支架力学行为分析具有很大的帮助,为支架的临床选择及优化设计提供了重要指导。     

冠脉支架对弯曲血管损伤机理的非线性有限元分析

针对支架植入术后的冠脉血管内支架再狭窄问题,通过非线性有限元法建立弯曲冠脉-支架介入系统生物力学模型及冠脉支架纵向柔顺性计算模型,开展了冠脉支架结构设计对血管壁面损伤与再狭窄的影响机理研究。数值分析结果表明,弯曲血管在支架端部存在高应力梯度,所产生的最大应力是直冠脉的4~6倍,易于损伤血管从而形成血管内支架再狭窄问题。冠脉支架结构的纵向柔顺性对弯曲血管的整体应力水平具有显著的影响,C型支架的纵向柔顺性远低于S型支架和N型支架,植入后所引起的血管整体应力水平最高;S型支架具有最好的纵向柔顺性,植入后所引起的血管整体应力水平最低。从支架与血管的相互作用以及支架纵向柔顺性的角度解释了临床中弯曲血管内支架再狭窄率较高的力学原因,为支架的临床选择及优化设计提供了重要指导作用。