血管支架结构有限元模拟与分析

独创性说明
作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
作者签名： 导师签名
缝．玉乃目
２芝凶年．—上月—ｊ上同
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１绪论
１．１引言
冠心病是众所周知的一个病名，据统计其发病率和死亡率居各类疾病之首（图１．１）。 那么，什么叫冠心病？冠心病是冠状动脉粥样硬化性心脏病的简称。它是由于供应心脏 营养物质的血管——冠状动脉发生了粥样硬化所致。这种粥样硬化的斑块，堆积在冠状 动脉内膜上，久而久之，越积越多，使冠状动脉管腔严重狭窄甚至闭塞，如同自来水管 或水壶嘴被长年逐渐堆积的水碱堵塞或变窄一样，从而导致了心肌的血流量减少，供氧 不足，使心脏的正常工作受到不同程度的影响，由此产生一系列缺血性表现，如胸闷， 憋气，心绞痛，心肌梗死甚至猝死等。因此，冠心病又称缺血性心脏病。图１．２为粥样硬 化斑块的出现使冠状动脉腔变窄的示意图。
冠状动脉搭桥术（Ｃｏｒｏｎａｒｙ Ａｒｔｅｒｙ Ｂｙｐａｓｓ Ｇｒａｆｔｉｎｇ，ＣＡＢＧ），是让心脏搏出的血从 主动脉经过所架的血管桥，流向因引起狭窄或梗阻的冠状动脉远端而到达缺血的心肌， 从而改善心肌的缺血、缺氧状态。这种心肌血运的重建术，叫做冠状动脉搭桥术。冠状 动脉搭桥术始于１９６４年，其方法是取自身的下肢静脉或内乳动脉作为搭桥的材料。在 体外循环下，使心脏停跳，并在主动脉与冠状动脉病变的远端之间搭桥。其手术需要全 身麻醉，手术后需要约三个月时间才能完全复原。最近已发展出微创直接冠状动脉搭桥 术（或称心脏不停跳冠状动脉搭桥术）【３】，这种手术比起传统的冠状动脉搭桥术具有较 少的侵入性、不需要切开胸部、伤口较小及不需要停止心跳等优点，只要在肋骨间做一 个小的切口，便可对阻塞的血管进行手术。术后恢复期较短，但对于超过两条冠状动脉 阻塞的病人不宜实施此手术。图１．３为冠状动脉搭桥术的示意图。
ｔｈａｔ ｉｓ，ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｒｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔｅｒ ｏｆ ｓｔｅｎｔ ｃｈａｎｇｅｄ ｄｅｇｒｅｓｓｉｖｅｌｙ ｆｒｏｍ ｉｔｓ ｃｅｎｔｒａｌ ｐａｒｔ
ｔｏ ｅｎｄ ｐａｒｔ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｄｏｇｂｏｎｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｎｏｒｍａｌｌｙ ｈａｐｐｅｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ
ｓｉｍｕｌａｔｅ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｒｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ
ｎｏｎ—ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｏｆｓｔｅｎｔ ｏｎ ｉｔｓ ｔｒａｎｓｉｔｏｒｉｌｙ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ
Ｓｏ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｃｏｒｏｎａｒｙ ｓｔｅｎｔ
ｔｈｅ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｒｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔｅｒ ｏｆ ｓｔｅｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｉｔｓ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ．Ｗｈｅｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｄｏｖａｓｃｕｌａｒ ｓｔｅｎｔ，ｔｏ ｍａｋｅ ｉｔｓ ｒｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔｅｒ ｕｎｓｙｎｍａｅｔｒｉｃａｌ，
ＣＡＥ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｄｉｌａｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＩｌｅＷ ｓｔｅｎｔ．Ａｆｔｅｒ ｓｅｖｅｒａｌ
ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ，ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｎｏ－ｄｏｇｂｏｎｉｎｇ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｅｎｄｏｖａｓｃｕｌａｒ Ｓｔｅｎｔ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ；Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ
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变是必然趋势。陈纪林、高润霖等对我国７９０例冠心病患者的随访研究结果表明，ＰＴＣＡ 特别是ＰＴｃＡ＋支架（Ｓｔｅｍ）技术可以作为我国冠心病患者的首选治疗方法０１。
下面简要介绍一下冠状动脉搭桥术、经皮穿刺冠状动脉腔内成形术和冠状动脉支架 植入术这三种治疗冠心病的方法。 １．２．１冠状动脉搭桥术
本研究利用３Ｄ绘图软件Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ以及有限元分析软件ＡＮＳＹＳ建模和分析所设 计的血管支架，借由模拟分析的结果发现缺点并加以改良，设计出符合要求的新型的血 管支架。
关键词：血管支架；结构设计；有限元法
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Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆＥｎｄｏＶａｓｃｕｌａｒ Ｓｔｅｎｔ
１．２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（Ｃｏｒｏｎａｒｙ Ａｒｔｅｒｙ Ｂｙｐａｓｓ Ｇｒａｆｔｉｎｇ， 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（Ｐｅｒｃｕｔａｎｅｏｕｓ Ｔｒａｎｓｌｕｒｎｉｎａｌ Ｃｏｒｏｎａｒｙ Ａｎｇｉｏｐｌａｓｔｙ，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。所以，从传统外科手术向微创伤介入技术的转
ｂａｃｋ ａ ｄｉｓｓｅｃｔｅｄ ｌｕｍｅｎ．Ｔｈｅ ｓｔｅｍ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｎｏｗ ｔｈｅ ｆａｖｏｒａｂｌｅ ｔｈｅｒａｐｙ ｔｏ ｃｏｒｏｎａｒｙ ｈｅａｒｔ
ｄｉｓｅａｓｅ。ｂｕｔ ｔｈｅ ｓｔｉｌｌ ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｓｔｅｎｏｓｉｓ ｗｉｍ ｔｈｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｌｉｍｉｔｉｎｇ
ｗｅｒｅ ｆｉｒｓｔｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｉｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄ ａｎｎｕｌａｒ ｐｒｏｐ ｂｏｄｙ
ａｍｏｎｇ ｗｉｄｔｈ ｉｓ ｍｏｒｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ
ｐｒｏｃｅｓｓ，ｏｆ ｔｈｅ ｂａｌｌｏｏｒｄｓｔｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅｒｅｂｙ ｒｅａｃｈ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｕｔｅ
ｖａｓｃｕｌａｒ ｉｎｊｕｒｉｅｓ． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅｎ
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
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摘要
心血管支架是一种薄壁管状装置，利用其可扩张的特性，借以支撑血管狭窄部位来 治疗冠状动脉的狭窄。血管支架植入术是目前治疗冠心病的最流行手段，但现行支架仍 然较高的再狭窄率成为其进～步发展的最大障碍。通过对血管支架进行结构优化设计， 改变其安放时的膨胀行为则是一个能够减少支架在植入时对血管内膜的损伤，从而降低 支架内再狭窄率的有效途径之一。所以，本论文利用有限元技术系统地模拟分析了支架 不同环状支撑体宽度以及整体的非对称设计对其瞬时膨胀行为的影响。
冠心病
癌症 脑血管疾病
急性内呼吸道感染
结核病
３００
慢性肺部障碍性疾病
２９０
腹泻（包括痢疾）
疟疾
乙始性蝻肝■炎■＿■—■＿１１２５００单位：万
资料来源：世界卫生组织（１９９７年世界卫生报告》
图１．１ １９９６年造成死亡人数最多的十大疾病
Ｆｉｇ．１．１ Ｔｈｅ ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ ｔｅｎ ｄｉｓｅａｓｅｓ ｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｄ ｄｅａｔｈ ｍｏｓｔｌｙ ｉｎ １９９６
ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｗｈｅｎ ｓｔｅｎｔ ｉｓ ｄｅｌｉｖｅｒｅｄ，ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｉｍａ ｏｆ ｂｌｏｏｄ ｖｅｓｓｅｌ ａｎｄ ｔｈｅｒｅｂBaidu Nhomakorabea ｄｅｃｒｅａｓｅ
ｔｈｅ ｉｎ—ｓｔｅｎｔ ｒｅｓｔｅｎｏｓｉｓ．Ｓｏ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ
随着我国经济水平的发展、人民生活水平的提高、饮食结构的改变及人口迅速老龄 化，心血管病的发病率和死亡率呈上升趋势，是全球上升较快的国家。据统计，我国心 血管病和脑卒中的总发病率和死亡率已超过许多发达国家。１９９９年我国农村和城市男性 ３５～７４岁人群中心血管病总死亡率分别为４１３／１０万和３８９／１０万，冠心病死亡率分别为 ６４／１０ＴＹ和１０６／１０ＴＹ，脑卒中死亡率分别为２４３／１０万和２１７／１０万；而同期美国同年龄段男 性人群心血管病总死亡率为３６０１１０万，冠心病和脑卒中死亡率分别为２３０１１０万和４１／１０ＴＪ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｃｏｒｏｎａｒｙ ｓｔｅｎｔｓ ａｒｅ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｔｕｂｕｌａｒ－ｓｈａｐｅｄ ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｈｉｃｈ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｏ ｈｏｌｄ
ｏｐｅｎ ａ ｓｅｇｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｂｌｏｏｄ ｖｅｓｓｅｌ．Ｔｈｅｙ ａｒｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｕｓｅ ｔｏ ｓｕｐｐｏｒｔ ａｎｄ ｈｏｌｄ
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本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理二Ｉ＿：大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。
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．１．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｃｏｒｏｎａｒｙ ａｒｔｅｒｙ’ｓ ｎａｒｒｏｗｉｎｇ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ａｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｔｉｃ ｂｌｏｃｋ
ｔｈｅ ｓｔｅｎｔ’Ｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｏ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｅｎｄｏｖａｓｃｕｌａｒ ｓｔｅｎｔｓ ｂｙ
ｉｔｓ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ，
为此，本论文首先就血管支架的技术特征、发展趋势等进行了综合评述，其次，分 析了支架端部环状支撑体宽度的变化对支架膨胀性能的影响，研究发现在支架的结构参 数中环状支撑体宽度的变化对支架膨胀压的影响尤为显著，环状支撑体宽度小的结构所 需的临界以及后续膨胀压比较高。本文根据这一结论对已有支架进行无狗骨头状结构优 化设计，即在球囊、支架的搭配中，环状支撑体的宽度从中部到端部依次逐渐递减变化， 可以有效抑制球囊／支架系统在瞬时膨胀过程中的狗骨头现象，从而达到减小对血管壁急 性损伤的目的。