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。     

镁合金冠脉支架柔顺性能的模拟研究

柔顺性是冠脉支架很重要的一个力学性能,它决定了支架的输送性及血管内支架的适应性。利用有限元法对6种不同结构的镁合金冠状动脉支架进行模拟分析,主要研究其不同连接体结构对支架柔顺性能的影响。结果显示,在压握状态下,不同连接体结构对支架柔顺性能影响较大,其中S型支架柔顺性较好,直杆L型支架柔顺性较差;在扩张状态下,连接体和支撑体个数相同时主要取决于连接体的结构;无论是在压握状态还是扩张状态下,有圆弧形的连接体的支架柔顺性要优于直杆形连接体的支架。关于支架柔顺性能的模拟结果,为今后镁合金冠脉支架的结构优化设计和临床选择起到了指导作用。     

冠状动脉支架纵向柔顺性能有限元分析

纵向柔顺性是支架很重要的一个力学性能,它决定了支架能否被顺利地输送到病变部位并与血管相适应.主要目的就是利用有限元法来研究支架的设计参数对柔顺性能的影响.利用多点约束单元,在支架的简化模型上均匀地加栽弯矩使支架发生弯曲变形.结果显示,S型支架的柔顺性最好,L型支架的柔顺性最差;支架支撑体宽度和波形环曲率半径对柔顺性的影响甚微;增加支架连接杆的长度能够提高支架的柔顺性,但是,增加支架连接杆的宽度或者厚度会降低支架的柔顺性.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作用.     

NiTi合金主动脉支架弯曲变形行为的研究

利用Pro/E和Ansys软件建立了胸主动脉支架轴向柔顺性分析模型,对27种NiTi合金支架的柔顺性进行了模拟分析与实验验证。在此基础上,又进一步系统地分析了弯曲变形时支架结构尺寸变化对中央部位横截面变形行为的影响。结果显示,减少圆周方向上的连接体的数量,增加支撑体的长度或数量,都能够提高支架的柔顺性,但是减少连接体的数量比增加支撑体的长度或数量对支架柔顺性的影响程度要大。支架弯曲变形时连接体的数量对支架中央部位横截面的变形具有显著的影响。     

血管内支架的疲劳强度的有限元模拟分析

为了揭示支架支撑体长度、宽度及圆弧曲率半径对其疲劳强度的影响规律,利用有限元法对不同结构参数的9种血管内支架进行动静态模拟分析,并用Goodman线图评价了支架的疲劳强度。结果显示,静态扩张过程中,随着支撑体长度或圆弧曲率半径的增加,支架所需的最大等效应力有减少的趋势,而随着支撑体宽度的增加,支架所需的最大等效应力有增加的趋势。动态加载过程中,支撑体长度、支撑体宽度及圆弧曲率半径均与疲劳安全系数成反比,其中支撑体宽度对疲劳安全系数的影响要比圆弧曲率半径和支撑体长度的影响较明显。关于支架疲劳强度的有限元分析结果,为支架的优化设计提供科学的理论依据。     

全降解冠脉支架研究进展

血管支架是指在管腔球囊扩张成形或自身膨胀的基础上,在病变段置入内支架以达到支撑狭窄闭塞段血管,减少血管弹性回缩及再塑形,保持管腔血流通畅的目的。自1987年第一次被用于治疗心血管疾病,心血管支架经历了巨大的发展,至今为止已经有40种不同类型的商业支架,还有更多的在研究中。心血管支架的迅速发展主要在于它们成功地扩张了血管官腔,减少了再狭窄率,比单纯的血管成形术减少了局部缺血引起的并发症[1]。     

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.     

镍钛合金超弹性支架纵向柔顺性分析

利用Pro/E和Ansys软件建立了支架纵向柔顺性分析模型,对临床上广泛应用的3种镍钛合金支架的纵向柔顺性进行了分析和比较.最后还进一步系统地分析了支架设计中筋的尺寸变化对支架纵向柔顺性的影响.结果显示,增加支架筋的宽度和厚度都能够提高支架的纵向柔顺性,但是宽度的增加比厚度的增加对支架柔顺性的影响程度要大.     

球囊扩张式血管支架介入对弯曲血管的生物力学损伤研究

构建了球囊扩张式血管支架介入系统的非线性有限元模型,考虑了血管斑块类型对其本构模型的影响,分析了A型与B型血管支架在血管狭窄率-24%、40%、50%,曲率半径-6 mm、10 mm、20 mm,狭窄血管的壁面应力分布规律,研究了血管支架构型、狭窄血管几何参数和血管生物力学损伤的关系。数值分析结果表明,血管壁面应力随着狭窄率的增加而显著升高,随着血管曲率半径的增加而下降相对平缓;但是,扩张加载阶段的血管壁面应力显著高于卸载阶段,易于引起血管斑块的脆性断裂引起血管生物力学损伤。由于A型血管支架相对于B型血管支架具有纵向柔顺性更优的联接筋构型,导致A型血管支架引起的血管壁面应力低于B型支架,因而降低了A型血管支架对于血管的生物力学损伤。     

镁合金冠脉支架扩张力学性能模拟研究

支架的扩张性能及力学性能是手术成功与否的重要因素之一。利用有限元方法仿真模拟分析了镁合金支架体外耦合扩张过程,重点研究不同支架初始直径、支撑体长度和周向个数对扩张性能及力学性能的影响,以达到结构优化的目的。结果显示,减小支架初始直径,支架应力应变分别降低3.94%和16.59%;增加支架支撑体长度,支架应力应变分别降低15.76%和49.50%;增加周向支撑体个数,支架应力应变分别下降8.97%和31.78%;改变3个结构参数均可以有效降低支架应力应变,其中支撑体长度的影响较大。通过支架的扩张性能及力学性能分析出支架最优结构,为将来镁合金支架的设计优化提供重要参考依据。     

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。     

Solution of Fokker-Planck equation by finite element and finite difference methods for nonlinear systems

The response of a structural system to white noise excitation (deltacorrelated) constitutes a Markov vector process whose transitional probability density function (TPDF) is governed by both the forward Fokker-Planck and backward Kolmogorov equations. Numerical solution of these equations by finite element and finite difference methods for dynamical systems of engineering interest has been hindered by the problem of dimensionality. In this paper numerical solution of the stationary and transient form of the Fokker-Planck (FP) equation corresponding to two state nonlinear systems is obtained by standard sequential finite element method (FEM) using C⁰ shape function and Crank-Nicholson time integration scheme. The method is applied to Van-der-Pol and Duffing oscillators providing good agreement between results obtained by it and exact results. An extension of the finite difference discretization scheme developed by Spencer, Bergman and Wojtkiewicz is also presented. This paper presents an extension of the finite difference method for the solution of FP equation up to four dimensions. The difficulties associated in extending these methods to higher dimensional systems are discussed. This paper is dedicated to Prof R N Iyengar of the Indian Institute of Science on the occasion of his formal retirement.     

Axisymmetric nonlinear analysis of shallow spherical shells by a combined boundary element and finite difference method

This paper is concerned with the development of the mixed boundary element method and finite element method for the analysis of spherical annular shells under axisymmetric loads. The boundary element techniques are used to solve the equilibrium equation of shells and the central difference operator is adopted to deal with the compatibility equations. Iterative techniques are used throughout the analysis procedure. A number of numerical examples are given in the paper to illustrate the validity of the present approach.     

不同材料冠状动脉支架膨胀行为分析

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,其在手术过程中受球囊作用的扩张特性以及球囊撤出后的反弹行为对支架植入术的成功有着重要的影响.利用有限元的方法系统,建立专有支架单独膨胀和血管支架膨胀模型,分析了316L不锈钢和L605钴铬合金两种材料支架筋尺寸和支架扩张尺度的变化及血管对其膨胀行为的影响.结果显示,支架所选材料是决定支架膨胀行为的主要因素,L605材料支架所需的临界内压力及反弹行为明显大于316L不锈钢支架;材料一定时,增加支架筋的宽度或厚度提高支架迅速扩张临界内压力;支架轴向长度的变化只与结构和最终膨胀状态相关.有限元模拟对支架性能的评价和设计有一定指导意义.     

A 3D cylindrical finite element model for thick curved beam stress analysis

A finite element model is proposed to perform stress analysis for thick curved beams and panels subjected to various types of loadings. The model has 18 nodes in a three‐dimensional cylindrical co‐ordinates system. Three stress components on radial surface (σ_rr, τ_rθ, and τ_rz) and three displacement components (u_r, u_θ, and u_z) are used as nodal degrees of freedom. Therefore, the continuity condition for both stresses and displacements is achieved in the radial direction. Formulation of nodal shape functions and equilibrium equations are based on three‐dimensional elasticity theory and a minimum potential energy method. The accuracy of the method is verified with the standard test problems and exact solutions from the theory of elasticity. The model shows no locking phenomena. Convergence is investigated and the application to layered composite panel is illustrated. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

A semi‐analytical curved element for linear elasticity based on the scaled boundary finite element method

This work introduces a semi‐analytical formulation for the simulation and modeling of curved structures based on the scaled boundary finite element method (SBFEM). This approach adapts the fundamental idea of the SBFEM concept to scale a boundary to describe a geometry. Until now, scaling in SBFEM has exclusively been performed along a straight coordinate that enlarges, shrinks, or shifts a given boundary. In this novel approach, scaling is based on a polar or cylindrical coordinate system such that a boundary is shifted along a curved scaling direction. The derived formulations are used to compute the static and dynamic stiffness matrices of homogeneous curved structures. The resulting elements can be coupled to general SBFEM or FEM domains. For elastodynamic problems, computations are performed in the frequency domain. Results of this work are validated using the global matrix method and standard finite element analysis. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.