人体血管支架有限元分析

世界最新医学信息文摘 2019年 第19卷 第17期297投稿邮箱：zuixinyixue@·医疗器械·基于ABAQUS 的心血管支架有限元模型的结果有效性分析马竹樵，赵建平（南京理工大学 紫金学院，江苏 南京 210046）0　引言目前，想必很多人都曾或多或少的在生活中接触到“支架”这一名词。

其常常伴随各类心脏疾病出现的特点，使得众人闻“支架”色变。

本质上来说，支架只是一个体积小于指甲盖的金属框架，经由特殊手段输入人体后，撑开较为狭窄的血管段，保证血液的正常流通，避免脂质物质组成的粥样斑块堆积在血管内壁引发的阻塞[1]。

作为心血管介入手术中常用的医疗器械之一，支架随着其自身技术的不断革新有着多种分类方式。

依据结构设计的不同，分为缠绕型支架、模块状支架、网状支架等；依据制造材质的不同，分为镍钛合金，钴铬合金或不锈钢支架等；依据输送进入人体方式的不同，分为球囊膨胀型支架与自膨胀型支架[2]。

本文选用以TINI 合金为主材的模块状支架，其运送方法为球囊膨胀型。

以此为例，其治疗过程如图1所示。

图1　球囊膨胀型血管支架的治疗过程由此可见，在治疗的过程中，当退出所有的导管后，动脉支架就留在了已经被扩张的动脉狭窄处。

然而，受制于材料自身物理属性的问题，支架在血管中难免会产生由内部应力导致的回弹，其回弹程度的高低直接影响治疗效果的好坏[3]。

1　球囊膨胀型支架模型的建立1.1　球囊膨胀型支架三维模型的建立。

为了保证后期分析的顺利进行，文中利用与ABAQUS 同属法国达索公司的CATIA 三维建模软件建立相关模型。

1.1.1　球囊：球囊模型如下图2所示。

球囊由圆柱体薄膜单元与两个半球体相结合而成，其中圆柱体截面半径长度与球体半径长度一致。

其中，气囊的直径为1.2 mm ，壁厚为0.02 mm ，总长为10 mm ，如图2所示。

1.1.2　血管支架：血管支架由类S 形主体模块与类正余弦连接模块组合而成，具体模型如图3所示。

人体血管支架有限元分析与结构拓扑优化共3篇人体血管支架有限元分析与结构拓扑优化1人体血管支架有限元分析与结构拓扑优化随着现代医学的发展，血管支架已成为血管疾病治疗中不可或缺的一种工具。

血管支架可以通过膨胀和固定在动脉内部，从而恢复狭窄或闭塞部位的血流通畅。

因此，如何提高血管支架的稳定性和生物相容性已成为关注的焦点。

本文旨在探讨如何通过有限元分析和结构拓扑优化，提高人体血管支架的性能。

有限元分析的基本原理是将一个复杂的结构模型分解为小的单元，在每个单元内进行力学分析。

这种分析可以模拟不同的荷载状态和材料性质，从而评估结构的行为和性能。

在血管支架模型的有限元分析中，一个主要的问题是如何精确模拟支架材料和血管组织的非线性应力应变行为。

此外，由于支架植入后会受到血流和动脉脉动的影响，因此在分析中必须考虑这些因素的复杂效应。

一种有效的方法是使用仿真软件，在计算机中模拟血管支架的力学行为。

这种方法可以显示支架在不同荷载状态下的应力和变形，从而评估支架的性能。

这些结果可以用于优化支架的设计，以提高其性能和生物相容性。

例如，通过有限元分析，可以确定支架的形状、大小、横截面积和壁厚等参数，以最大限度地减少支架内部的应力和扭曲，从而提高其稳定性。

然而，即使在最优化的设计下，支架材料也可能不足以承受日常使用和长期暴露的逆境。

在这种情况下，我们可以采用结构拓扑优化的方法进一步优化支架的性能。

结构拓扑优化是一种在已有结构中寻找最优分布的方法，以最大限度地减少材料的使用量并提高结构的性能。

这种方法在血管支架设计中有广泛的应用，因为它可以减少支架内部的应力和材料冲击，并提高支架材料的生物相容性。

例如，我们可以使用结构拓扑优化来探索支架材料的排列，在保证结构稳定性的同时尽可能减少材料的使用量。

我们还可以使用形状和参数优化技术来优化支架的设计，以最大限度地减少支架内的应力和变形。

这些技术可以进一步提高支架的性能，使其适用于更广泛的应用场景。

大连理工大学硕士学位论文血管支架结构有限元模拟与分析姓名：王丽申请学位级别：硕士专业：计算机技术指导教师：吴迪20060611血管支架结构有限元模拟与分析ｍ。

所以，我们要改变既往“我国心血管病发病率和死亡率低于发达国家”的认识误区。

并且要清醒地认识到以冠心病为主的心血管病已成为我国一个重要的公共卫生问题，对冠心病的治疗方法和相关器械的研究已成为相关科学家们研究的热点之一。

图１．２粥样硬化斑块使冠状动脉腔变狭窄的示意图Ｆｉｇ．１．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｒｏｎａｒｙａｒｔｅｒｙ’ｓｎａｒｒｏｗｉｎｇｃａｕｓｅｄｂｙａｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｔｉｃｂｌｏｃｋ１．２冠心病的治疗方法目前冠心病的治疗方法有药物治疗，外科手术治疗和介入性治疗三种。

（１）药物治疗：是指用硝酸酯类药、Ｂ受体阻滞剂、钙离子拮抗剂、转换酶抑制剂、调节血脂药、抗凝药物和中药等药物的治疗。

这种方法只能起到预防或短期的疗效。

（２）外科手术治疗：是指冠状动脉旁路移植术，即冠状动脉搭桥术（ＣｏｒｏｎａｒｙＡｒｔｅｒｙＢｙｐａｓｓＧｒａｆｔｉｎｇ，ＣＡＢＧ）。

这种手术一般比较复杂，需开胸，创伤大，恢复慢。

（３）介入性治疗：目前应用最广泛的是经皮穿刺冠状动脉腔内成形术（ＰｅｒｃｕｔａｎｅｏｕｓＴｒａｎｓｌｕｒｎｉｎａｌＣｏｒｏｎａｒｙＡｎｇｉｏｐｌａｓｔｙ，ＰＴＣＡ）和冠状动脉内支架术等。

ＰＴＣＡ也称为微创伤疗法。

这种治疗技术是在医学影像设备的导引下，利用穿刺针、导丝、导管和支架等器械所进行的诊断与治疗操作。

微创伤治疗技术是目前西方国家治疗各种威胁人类健康疾病的最流行手段，在所有的手术中微创伤介入治疗所占的比例已经超过８５％，微创伤治疗技术代表着国际上最高手术水平，亦是全世界医疗界发展的必然趋势。

与传统外科手术相比，进行微创伤介入治疗，无须开刀，只需局部麻醉，具有出血少、创伤小、并发症少、安全可靠、术后恢复快等优点，大大减轻了病人所承受的痛苦，降低了手术者的操作难度，手术时间及住院时间显著缩短，费用亦明显降低。

世界最新医学信息文摘 2019年 第19卷 第17期297投稿邮箱：zuixinyixue@·医疗器械·基于ABAQUS 的心血管支架有限元模型的结果有效性分析马竹樵，赵建平（南京理工大学 紫金学院，江苏 南京 210046）0　引言目前，想必很多人都曾或多或少的在生活中接触到“支架”这一名词。

其常常伴随各类心脏疾病出现的特点，使得众人闻“支架”色变。

本质上来说，支架只是一个体积小于指甲盖的金属框架，经由特殊手段输入人体后，撑开较为狭窄的血管段，保证血液的正常流通，避免脂质物质组成的粥样斑块堆积在血管内壁引发的阻塞[1]。

作为心血管介入手术中常用的医疗器械之一，支架随着其自身技术的不断革新有着多种分类方式。

依据结构设计的不同，分为缠绕型支架、模块状支架、网状支架等；依据制造材质的不同，分为镍钛合金，钴铬合金或不锈钢支架等；依据输送进入人体方式的不同，分为球囊膨胀型支架与自膨胀型支架[2]。

本文选用以TINI 合金为主材的模块状支架，其运送方法为球囊膨胀型。

以此为例，其治疗过程如图1所示。

图1　球囊膨胀型血管支架的治疗过程由此可见，在治疗的过程中，当退出所有的导管后，动脉支架就留在了已经被扩张的动脉狭窄处。

然而，受制于材料自身物理属性的问题，支架在血管中难免会产生由内部应力导致的回弹，其回弹程度的高低直接影响治疗效果的好坏[3]。

1　球囊膨胀型支架模型的建立1.1　球囊膨胀型支架三维模型的建立。

为了保证后期分析的顺利进行，文中利用与ABAQUS 同属法国达索公司的CATIA 三维建模软件建立相关模型。

1.1.1　球囊：球囊模型如下图2所示。

球囊由圆柱体薄膜单元与两个半球体相结合而成，其中圆柱体截面半径长度与球体半径长度一致。

其中，气囊的直径为1.2 mm ，壁厚为0.02 mm ，总长为10 mm ，如图2所示。

1.1.2　血管支架：血管支架由类S 形主体模块与类正余弦连接模块组合而成，具体模型如图3所示。

大连理工大学硕士学位论文冠状动脉支架设计及力学行为分析姓名：张庆宝申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：齐民20060601大连理工大学硕士学位论文Ｍａａｓｓｆｌ３］和他的团队在镍钛记忆合金支架研究成果发表不久后发表了可扩张的不锈钢弹簧形式的线圈缠绕血管支架，如图１．５所示，置放在实验狗的主动脉及静脉。

弹簧形式的线圈缠绕血管支架是先预施加一个扭矩使支架的直径缩小以便经由导管运送至狭窄处，到达血管狭窄处时再释放使支架恢复到原本的直径并且撑开狭窄处的血管。

虽然弹簧形式的线圈缠绕血管支架能够稳定且不会造成血管壁的损伤、血栓以及狭窄，但是此种类型的支架置放操作需要在较大直径的血管，因此有其限制。

图１．５不锈钢弹簧形式支架Ｆｉｇｌ５ＴｈｅｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓｐｒｉｎｇｓｔｅｎＩｓ到了１９８５年，Ｇｉａｎｔｕｒｃｏ【１４Ｊ和他的团队首度发表自膨胀的ｓｐｒｉｎｇ，Ｌｏａｄｅｄ血管支架，他们的研究发现了为预防支架扩张后因为血液流动而产生位移，在置放支架时扩张到比目标尺寸稍大（Ｏｖｅｒｓｉｚｉｎｇ）的重要性。

最早提出以球囊来扩张血管支架的是Ｐ“ｍａｚ［１５】和他的团队。

在１９８５年，Ｐａｌｍａｚ团队首度发表以气球导管运送扩张不锈钢网状编织的血管支架，置放到实验狗的小动脉里。

他们所使用的支架是由直径１５０ｐｍ和２００ｐｍ的金属细线编织而成。

他们在编织的交错点以银焊来增强支架对血管壁的抵抗力。

Ｐａｌｍａｚ团队在接下来的几年陆续发表了１８次以气球导管扩张形式的血管支架的动物实验，其中有四次有因为血小板阻塞而造成再狭窄的情况发生，这个结果显示此类的手术需要有抗凝血药物的辅助。

他们并且发现在低流速的血管中，可以以肝素作为抗凝血剂，但并没有办法防止晚期的再狭窄发生。

随着医疗设备的改良，对于细小血管的支架手术像是心脏冠状动脉狭窄的治疗变得大连理工大学硕士学位论文疗，心血管支架棠用的直径为２．５ｍｍ到３。

ＯｎｌＩｎ，使用的长度从８ｍｍ到３２ｍｍ。

冠状动脉可降解支架植入后血管力学特性分析摘要：目的研究在支架的降解路径中，血管的应力改变情况如何影响血管再狭窄和内皮功能。

方法拟合本构关系的可降解材料特性，计算支架植入前和动态降解过程中血管内膜的应力分布。

体外培养验证，将硅室的拉伸比设置成梯度。

结果植入的支架完全降解后，血管周向内膜应力(应变)恢复到0.137 MPa，5.5%。

体外实验验证表明，在环向应力(应变)为0.1 MPa和5%的条件下，内皮细胞的细胞状态最好，存活率最高。

结论随着支架降解过程的进行，内膜的周向应力(应变)恢复到生理参数范围内，加快了内皮细胞的细胞增殖。

内膜功能的恢复可以抑制血管再狭窄的病理生理学。

该结果对冠状动脉介入治疗血管再狭窄的研究具有参考意义。

关键词：可降解支架；血管力学特性；冠状动脉；材料1.介绍冠心病是目前影响人类健康的特别常见的病患。

这种疾病的原因是冠状动脉中形成的动脉粥样硬化斑块阻塞了血液流动，形成了致命的长期威胁健康的病因。

冠状动脉支架机械扩张是维持血流的疗法之一。

通常的金属支架会永久存在于人体的血管中，势必导致血管重塑。

即使随着金属支架生物相容性的提高，血管仍会有3~5%的支架内再狭窄(ISR)[1-2]。

据报道，虽然金属支架能一定程度上支撑血管，阻碍血管回缩，但长期下来会导致冠状血管弹性的丢失，变成“金属外套”[3]。

有学者[4]研究了支架植入后血管的弹性，提出完整的内皮功能是预防血栓的关键。

Chiu等人[5]采用计算流体力学(CFD)方法，发现支架植入后血管壁切应力异常与内膜密切相关。

因此，支架应该改善冠状动脉的血液循环，匹配血管本身的弹性，以此维持正常内皮的功能。

目前，支架植入引起的异常剪应力已经得到了系统的研究[6-7]。

因此，本文采用数值模拟和体外实验的方法，在支架动态降解中，分析内皮细胞的生长状态。

同时，也为冠状动脉介入治疗后再狭窄的研究提供了参考。

2.材料和方法2.1超弹性本构关系冠状动脉是典型的软组织材料。

心血管支架模拟1介绍下图一为心血管支架作用原理示意图，心血管支架用以张开硬化的动脉。

图心血管支架作用原理示意图支架的成功在很大程度上取决于如何将支架在动脉中支撑起来。

在支架设计过程和临床手术过程，利用有限元分析技术作为工具进行支架动脉相互作用研究已经成为一个公认的趋势。

在支架支撑的过程中涉及到非常多的非线性技术，如生物组织特性、大动脉壁变形、支架和动脉壁的滑动接触。

例题中均会涉及到这些。

2问题描述建立的冠状动脉支架和严重阻塞的冠状动脉模型。

动脉被简化为两层的直圆柱体，用一层代表动脉壁和另一个代表钙化斑块。

下图为动脉和支架的尺寸。

图动脉与支架尺寸模拟支架置入术分为三个步骤：➢扩大动脉升高压力（球囊血管成形术）。

➢放置的支架。

➢收缩动脉，使用平均血压和使得支架和动脉壁接触。

3模型3.1支架模型采用Beam189单元建立支架模型并划分了1760个网格，如图所示。

图心血管支架模型梁单元模型的计算效率优于实体单元。

支架为3.5毫米的直径，长度15毫米。

构建支架的金属丝是圆形截面，外直径为0.1毫米。

镍钛合金材料是常用作支架材料，镍钛合金的非线性材料行为需要单独讨论。

因此对于这个问题，材料采用线弹性的316L不锈钢材料来代替。

3.2动脉和斑块模型采用实体单元模拟动脉血管和斑块，如图所示：图动脉血管和斑块（钙化层）有限元模型动脉层共划分了9000个单元，采用的是SOLID185单元，采用增强应变公式（KEYOPT（2）=3）和混合U-P公式（KEYOPT（6）=1），这是由于生物材料为不可压缩材料，采用上述公式可以克服体积锁定。

钙化层采用SOLID185单元，有9000个网格。

单元采用全积分算法，材料采用线性材料。

动脉和钙化层之间采用共节点的方式连接。

基于圣维南原理，动脉和钙化层都作了延长，减少边界对计算结果的影响。

接近边界的地方采用密的网格，增强收敛性。

3.3支架和斑块的接触模型支架和动脉之间的接触采用线面接触类型，支架采用CONTAC177接触单元，接触方法采用拉格朗日乘子法，接触行为采用标准接触行为，打开步长二分，动脉内部面采用TARGE170单元，摩擦系数为0。

大波段Z形镍钛自膨胀支架的植入压缩和脉动服役行为的有限元分析王伟强;张会娟;齐民【摘要】The significant compression before implantation and pulsating load process of the super-elastic nitinol stent have important impacts on its security application.Significant compression can result in substantial strain in local area of the stent,and when the strain exceeds the strain limit of the material,the permanent deforma-tion will occur.While in service,the stent will receive a periodic pulsating compressive load,and undergo fa-tigue cycles.Regarding the big band Z-stent,in this paper,we make use of the finite element method to analyze the influence of V-type connector radius and the length of the support strut of stent on its compression and pul-sation cycle.The results showed that during the implantation and pulsating process,V-type connector is com-pressed inside and stretched outside;increasing the length of the support strut and the arc radius will reduce the compressive strain and increase fatigue resistance.Moreover,to evaluate the safety of the stent,it needs to ana-lyze not only the long-term fatigue resistance,but also the significant compression deformation before implanta-tion.%超弹性镍钛合金支架在植入前的大幅度压缩和脉动受载过程对支架的安全性有重要影响。

支架的线性静力学分析实例：建模和分析计算在此实例中读者将学习ABAQUS/CAE的以下功能。

1) Sketch功能模块:导人CAD二维图形，绘制线段、圆弧和倒角，添加尺寸，修改平面图，输出平面图。

2) Part功能模块:通过拉伸来创建几何部件，通过切割和倒角未定义几何形状。

3) Property功能模块:定义材料和截面属性。

4) Mesh功能模块:布置种子，分割实体和面，选择单元形状、单元类型、网格划分技术和算法，生成网格，检验网格质量，通过分割来定义承受载荷的面。

5) Assembly功能模块:创建非独立实体。

6) Step功能模块:创建分析步，设置时间增量步和场变量输出结果。

7) Interaction功能模块:定义分布榈合约束(distributing coupling constraint)。

8) Load功能模块:定义幅值，在不同的分析步中分别施加面载荷和随时间变化的集中力，定义边界条件。

9) Job功能模块:创建分析作业，设置分析作业的参数，提交和运行分析作业，监控运行状态。

10) Visualization功能模块:后处理的各种常用功能。

结构静力学分析（static analysis）是有限元法的基本应用领域，适用于求解惯性及阻尼对结构响应不显著的问题。

主要用来分析由于稳态外载荷引起的位移，应力和应变等。

本章的静力学分析实例按照ABAQUS工程分析的流程对支架进行线性静力学分析，通过实例基本掌握了分析的流程，同时了解接触的定义。

1.问题描述所示的支架，一端牢固地焊接在一个大型结构上，支架的圆孔中穿过一个相对较软的杆件，圆孔和杆件用螺纹连接。

材料的弹性模量E=2100000MPa,泊松比为0.3。

支架的两种工况1 杆件的一端受到沿着沿Y轴为2000N的集中力，其随着时间变化。

2 支架的自由端还在局部区域上受到均布的剪力Ps=36MPa。

时间（S）集中力（F/KN）0 1.50.2 20.4 1问题分析为简化问题，实例基于结构和载荷的对称性。