人体血管支架有限元分析

主要内容
• 介入治疗的背景 • 有限元法与验证实验 • 模拟测试 • 问题和未来应用
现在支架存在的问题
永久性支架的问题
1，阻碍了血管的 良性重塑，即血管 的生长。这一点对 于婴儿或者青少年 的血管显得尤为突 出
2，许多长支架运 用到了人体。对于 可能出现的长支架 内再狭窄，处理非 常困难
3，支架对于人体 始终是一个异物， 会对血管产生长期 的异物刺激。
介入治疗的背景
PTCA+支架植入术
支架植入术应用的领域
心脑血管
外周血管
非血管
冠颅 状内 动动 脉脉
颈肾胸肢静髂
动动腹体脉动
脉脉主动
脉
动脉
脉
肝胆食气尿 脏道道管道
主要内容
• 介入治疗的背景 • 有限元法与验证实验 • 模拟测试 • 问题和未来应用
理想支架的性能要求
常规方法研究支架性能的局限性和有限元方法
人体血管支架有限元分析
材料学院：赵阳
主要内容
• 介入治疗的背景 • 有限元法与验证实验 • 模拟测试 • 问题和未来应用
主要内容
• 介入治疗的背景 • 有限元法与验证实验 • 模拟测试 • 问题和未来应用
介入治疗Βιβλιοθήκη Baidu背景
介入治疗法就是采用经皮穿刺途径或通过某种原有体内 通道将特别的导管和器械插入人体而到达病变区进行特 殊的诊断和治疗。
2 微创的介入法会应用到肿瘤的治疗上；
Thank you!
MSA：最大拉开面积， MCA：最小压缩面积
筋分布变化结果
Express模型 Nirflex模型
储库式药物洗脱支架Conor支架的特点
支架形貌
多层药物加载方式
变形铰的作用
优化模型的建立
导入OptiStruct的几何模型
边缘和变形铰为非设计材料
优化过程
迭代步骤为10、20、30时的单元密度分布，由模糊变得清晰
有限元分析和优化在支架研究中起到的作用
Ansys和Pro/Engineer程序
Pro/E特点：
高效的三维建模工具，可
绘制任意复杂形状的三维 几何实体；
其基于特征的参数化造型
特性一方面使用户操作方 便、易于掌握，另一方面 可以很容易地调整特征参 数，实现多次而快速的设 计调整；
Ansys具有与Pro/E的专用
2，纯铁支架的降 解速度太慢
性能研究意义
3，镁合金支架在 降解过程中的支撑 能力有待于进一步 改善
为了对可降解支架的性能特点进行深入了解，并提出更好的 支架设计，有必要从生物力学的角度进一步研究可降解支架 在血管内的降解过程以及与血管的相互作用。
未来的展望
1 未来的血管狭窄治疗方法可能趋于有药物 涂层的球囊；
常规方法的局限性
1，支架设计和加工 2，支架尺寸微小， 3，支架市场竞争激
过程繁琐，成本昂 结构复杂，常规的 烈，常规方法难以
贵
检测手段难以测试 做出迅速反应
有限元方法的优势
1，在计算机上进行 2，对不适合于进行 3，节省产品开发时 快速有效的测试， 实物测试的设计进 间，大大缩短产品 从而大大减少实物 行模拟测试，提供 推向市场的周期 的工件测试数量， 更多更详尽的性能 显著的节约设计成 参数 本
支架的筋间空隙和筋分布
筋间空隙引起 脱垂，支架弯 曲可能加大筋 间空隙
支架弯曲后， 筋分布变化影 响药物释放浓 度分布
Express和Nirflex模型
Express模型 Nirflex模型
筋间空隙变化结果
弯曲方向A上整体变形： 血管刚体的直径缩小 到3.5 mm
不同弯曲方向上的筋 间空隙变化
生物可降解支架的优势
生物可降解支架植入人体血管后，在发挥支撑血管作用的同 时不断降解，降解产物被人体吸收或排出体外。当血管需要 支架支撑作用的阶段过去之后，支架可以完全降解，从而消 除支架对血管的各种远期不良影响。
现在支架存在的问题
可降解支架的缺陷
1，高分子可降解 支架材料的弹性模 量低。支架体积臃 肿，容易产生不良 的血液涡流，进而 可能引起再狭窄的 发生
• 经皮冠状动脉腔内成形 术: (percutaneous
transluminal angioplasty，
PTCA) 是使用经皮肤送 入球囊导管，扩张狭窄 冠状动脉的一种导管治 疗技术。临床采用PTCA+ 支架（冠脉内支架术) 解决单纯PTCA术中或术 后短时间内血管的急性 闭塞以及后期的再狭窄 问题
接口，可以使得用Pro/E建 的几何模型能够无损地传 输到Ansys中，从而确保后 续有限元模型的精确性。
“体积控制”球囊模型
真实球囊膨胀过程
球囊模型
模拟和实验对比
支架扩张过程模拟和实验结果对照
0 MPa 0.1 MPa 1.2 MPa
0 MPa
支架扩张过程模拟和实验结果对照
压强 – 直径曲线
扩张过程最大应力分布
主要内容
• 介入治疗的背景 • 有限元法与验证实验 • 模拟测试 • 问题和未来应用
弯曲血管对支架性能的要求
支架在弯曲血管中发生的弯曲变形和筋间空隙的变化，都会影 响到支架与血管的相互作用，并可能引起更高的再狭窄率。
血管弯曲处发生狭窄
植入支架后，血管 撑直，产生拐点
6个月后，在拐点处发 生再狭窄
拓扑结果的提取和有限元模型
运用OSSmooth提取得到的设计概念
在Pro/E中生成的加工设计
优化后有限元模型
优化前有限元模型
柔度分析和支撑性能对比
柔度分析表明，Sopt与Sori比较，降低了14%的柔度
Sopt
Sori
优化后的Conor支架设计
拓扑优化可以对新型的 储库式药物洗脱支架平台进 行结构优化。在不影响支架 平台载药性能的前提下，经 拓扑优化后的单个支撑筋的 结构刚度提高了14％。