有限元分析在冠脉支架设计中的应用

使用有限元方法对支架加工过程中的压握和临床使用中的扩张、扩张回弹进行了数值模拟,并对支架在血管脉动载荷下的疲劳寿命进行了评价,同时采用实验验证了有限元分析的合理性.结果 表明,有限元分析可以作为支架性能分析的有效手段,为支架设计和优化提供指导依据.     

NiTi心血管支架的疲劳断裂性能分析

目的对NiTi合金心血管支架进行疲劳寿命的预测研究。方法采用疲劳断裂的有限元分析方法,建立了三维空间NiTi心血管支架结构的模型,并分析了在生理脉动循环载荷作用下的心血管支架结构。结果有限元分析发现支架结构结点附近区域的正应力大、疲劳寿命低、损伤大;同时,支架结构的疲劳寿命预测发现,用结构表面进行氮化、喷丸硬化等方法处理的支架疲劳寿命较高。相关的实验结果显示疲劳裂纹或断裂总是发生在支架结点附近区域。结论生理载荷下的模拟结果与相关的实验结果相吻合,最终为心血管支架结构的安全性指导和设计提供了理论依据。     

血管支架不定形碳膜脱层现象实验及有限元分析

目的研究不定形碳涂层的血管支架在握压-扩张过程中发生涂层脱层的现象,从材料选择和尺寸设计方面避免脱层的发生。方法通过化学气相沉积法在金属血管支架上沉积生成不定形碳膜,实验模拟该涂层血管支架的握压-扩张过程,并通过电子扫描显微镜观察涂层发生脱层的情况。采用有限元方法分析不定形碳膜在血管支架握压-扩张过程中发生脱层的受力机制及影响因素。结果有限元结果能够较好吻合实验现象。不定形碳膜厚度决定了支架各处脱层的难易程度,以及脱层的发生形式。不定形碳膜弹性模量越大,支架越容易发生脱层。此外,支架的弹性模量也会对支架脱层产生影响,且在不同位置处影响规律不同。结论在血管支架涂层时,需要仔细设计不定形碳膜厚度以及合理匹配不定形碳膜和支架的弹性模量以避免脱层的发生。     

靶向药物洗脱支架扩张过程力学性能研究

目的:药物洗脱支架(DES)的出现,在心血管狭窄治疗领域具有里程碑意义。DES扩张过程的力学性能对冠状动脉支架植入术的成功有着重要影响。球囊扩张冠脉支架的完整变形过程包括支架装配时往球囊上的压握过程、支架在球囊作用下的扩张过程、以及球囊撤出后支架受血管壁的周期性压缩过程3个阶段。研究两种不同结构的药物洗脱支架(DES)扩张过程的力学性能,以期对DES结构设计提供科学的指导。方法:采用Solidworks软件建立2种不同结构的支架模型(根据外表面刻槽与否分别称为II型支架和I型支架);使用Hypermesh软件对建立的几何模型进行六面体网格划分,并对网格进行优化;使用Abaqus有限元分析软件,对两种支架扩张过程中重要的力学性能指标进行了分析。结果:相对于I型支架,II型支架在减少载药量的同时,其径向回弹率、轴向回弹率、扩张不均匀性等力学性能并未降低。与II型支架相比,I型支架不仅在支撑体上存在面积更大的高应力区域,而且其最大应力值(585.5 Mpa)也要高于II型支架(446.2 Mpa)。结论:相对于传统药物洗脱支架,靶向药物洗脱支架在减少载药量的同时,力学性能并未降低,对心血管狭窄等疾病的治疗具有较好的临床应用前景。     

形状记忆合金心血管支架自扩张过程的数值模拟与支架的"最优化网格"

血管内支架作为治疗心血管疾病临床应用中重要的医疗器械，其主要变形过程是支架在血管中的膨胀过程。这个重要的变形特征对应并影响着支架不同的两个力学技术指标：变形与应力。所以本研究的主要目的就是研制和开发具有自主知识产权的血管内支架产品，并利用有限元技术对NiTi自扩张血管内支架的结构进行优化设计。利用有限元分析软件ANSYS建立了以NiTi形状记忆合金为材料模型的血管支架的三维有限元仿真模型。结合支架外形尺度、网格形状等其它影响因素，对支架在血管中的自膨胀过程进行了数值模拟分析。通过对比两种具有类似网格结构支架的性能，提出血管支架“最优化网格”的概念。     

基于有限元模拟的支架扩张、血流动力学及支架疲劳分析

目的利用有限元方法研究支架在狭窄血管内的扩张性能、支架内血流动力学状况和支架的疲劳寿命。方法采用ANSYS模拟支架在狭窄血管内的扩张过程,提取扩张后相关节点数据,建立血流动力学分析模型,并建立与之对应的简化模型,模拟分析支架内血流动力学状况。分别基于Goodman图表和累计损伤法,对支架的疲劳寿命进行评估。结果 (1)支架上绝大部分部位发生塑性变形,主要应力发生在镂空孔的角点。(2)支架附近流动紊乱,血流流入端的桥接支柱附近应力最高。(3)Goodman图表法表明该支架是安全的,累计损伤法表面支架在血流流入端桥接支柱所在的第2个横截面上累计损伤最大。结论有限元方法能有效地应用于支架扩张、支架内血流动力学以及支架的疲劳模拟仿真。     

球囊扩张式支架扩张过程的数值模拟

目的求解支架扩张过程中的应力、形变分布云图,以及压强-直径变化曲线,获取球囊扩张式支架整体性能数据。方法使用"体积控制"球囊-支架模型,运用有限元分析软件ANYSY进行数值模拟,并与实验数据进行比较。结果支架-球囊模型可以很好地模拟支架扩张全过程;当球囊膨胀至最大直径,支架模型的主体结构与加强筋连接位置会发生塑性形变,而最大应力也分布在连接位置。结论通过有限元分析可以对支架性能进行优化。     

位姿对支架虚拟释放结果影响的数值模拟研究

目前关于血管支架扩张的有限元分析并未将支架释放位姿这一因素对扩张结果的影响考虑在内。本研究利用Pro/E软件建立了支架和血管模型,通过ABAQUS软件构建了5种有限元装配模型,分别为0度无偏心模型、3度无偏心模型、5度无偏心模型、0度轴向偏心模型和0度径向偏心模型,分为角度和偏心两组实验进行扩张模拟。计算了各模型的轴向缩短率、径向回弹率、狗骨头率等力学参数,通过比较分析,得出支架虚拟释放时的角度、偏心对数值模拟的影响。计算得到5种模型支架扩张后的残余狭窄率分别为38.3%、38.4%、38.4%、35.7%、38.2%。研究表明位姿对数值模拟结果的影响较小,在对结果精度要求不高的情况下可以忽略这种影响,采用0角度无偏心的基本模型进行扩张模拟。     

不同连接筋结构的支架治疗椎动脉狭窄的血流动力学数值模拟

目的 研究具有不同连接筋结构的支架治疗椎动脉狭窄后的血流动力学效果,以期为支架的设计以及介入治疗提供更加科学的指导。方法 采用Pro/Engineer建立带有狭窄的椎动脉模型和3种不同连接筋的支架模型（根据连接筋形状分别称为L-支架、V-支架和S-支架）;利用有限元分析软件ABAQUS模拟这些支架在狭窄椎动脉中扩张后的结果,并分别建立3种支架治疗椎动脉狭窄后的流场有限元模型。利用有限元分析软件ANSYS-CFX对3个模型进行血流动力学数值模拟。结果 与V型和S型连接筋相比,L型连接筋造成了较小的低壁面切应力分布面积及较少的血流停滞区。结论 L型连接筋具有较好的血流动力学效果,潜在地可降低支架内再狭窄发生的可能性,从而为支架选择、支架设计和手术规划等提供科学依据。     

冠脉支架的疲劳寿命的有限元体分析

目的冠脉支架植入后,在血管周期脉动载荷作用下,要求至少经过相当于10年约4亿次的循环后保持完整,维持其预期功能,需要评价其疲劳性能。方法使用有限元方法分析了支架在使用过程中的应力分布,根据Goodman准则评价了支架的疲劳寿命,同时采用加速疲劳对支架进行疲劳试验。结果分析发现最危险点始终位于支架弯折位置侧内表面区域。结论结果表明有限元分析可以很好的模拟支架的疲劳特性,为支架的设计提供理论指导。     

镍钛合金冠脉支架纵向柔顺性数值分析

目的利用有限元方法分析自主设计镍钛合金冠脉支架的结构特征与纵向柔顺性的关系。方法通过Soildworks设计一种新型支架的几何模型,运用Hypermesh、MATLAB及ABAQUS软件构建出支架的有限元模型,在ABAQUS中对支架一个结构周期内的9个弯曲方向上分别施加转角位移,使支架保持纯弯曲状态。结果支架柔顺性在自接触前差异性不明显;当自接触发生后,支架的柔顺性表现出明显的各向异性,同时支架在平面内的纯弯曲载荷作用下发生弯曲变形,并伴随着平面外的偏转及围绕自身轴线的扭转变形。结论支架的结构特征决定了其弯曲行为,连接体的螺旋和自接触使支架的柔顺性始终表现出各向异性,为支架在临床上的应用提供科学指导。     

颈内动脉 Y 形分叉处双支架并联取栓术的有限元模拟

目的 利用有限元方法模拟单、双支架在理想颈内动脉Y形分叉处血管取栓过程,依据仿真结果分析取栓过程中支架-血栓-血管相互作用,为改善分叉处支架取栓效果提供指导。方法 利用CAD软件建立模型,利用有限元分析软件模拟单、双支架取栓过程。结果 单支架模型取栓失败,双支架模型取栓成功,并且取栓过程中血栓的最大应力是单支架的2倍,最大应变是单支架的1.12倍,血管壁表面的最大接触压强大约是单支架的2倍。结论 Solitaire双支架能够有效防止分叉处血栓移位并且成功取出血栓,但血栓中段应力水平较高存在断裂风险;取栓过程中前动脉侧血管接触压强更大,血管壁损伤风险更大。因此,有必要优化取栓支架的设计以提高其柔顺性。     

Virtual optimization of self-expandable braided wire stents

At present, the deployment of self-expandable braided stents has become a common and widely used minimally invasive treatment for stenotic lesions in the cardiovascular, gastrointestinal and respiratory system. To improve these revascularization procedures (e.g. increase the positioning accuracy) the optimal strategy lies in the further development of the stent design. In the context of optimizing braided stent designs, computational models can provide an excellent research tool complementary to analytical models. In this study, a finite element based modelling strategy is proposed to investigate and optimize the mechanics of braided stents. First a geometrical and finite element model of a braided Urolume endoprosthesis was built with the open source pyFormex design tool. The results of the reference simulation of the Urolume stent are in close agreement with both analytical and experimental data. Subsequently, a simplex-based design optimization algorithm automatically adjusts the reference Urolume geometry to facilitate precise positioning by reducing the foreshortening with 20% while maintaining the radial stiffness. Therefore, the proposed modelling strategy appears to be a promising optimization methodology in braided stent design.     

全腰椎非线性有限元模型的建立与有效性验证

目的　为人体腰椎生物力学有限元分析建立有效的全腰椎非线性数字仿真模型。 方法　采集一名25岁的健康男性腰椎（L1~5）CT影像数据,依次通过Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、UG8.5、Hypermesh 13.0、Abaqus6.14-4五个软件建立模型,赋予各组织对应的属性。首先进行网格收敛性测试,选取合适的网格划分方案以提高分析效率。然后通过给模型施加不同的力矩载荷来模拟腰椎的6种运动（前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转）,计算腰椎各功能节段（functional spinal unit,FSU）的活动度（range of motion,ROM）。 结果　模型得出的结果与体外试验的数据类似,两者变化趋势规律一致。 结论　本研究使用的全腰椎非线性有限元模型的建立与验证方法可用于未来脊柱相关疾病的建模与分析。     

Vertebral stress of a cervical spine model under dynamic load.

The objective of this study is to develop cervical spine models that predict the stresses in each vertebra by taking account of the biodynamic characteristics of the neck. The loads and the moments at the head point (Occipital Condyle) used for the models were determined by the rigid body dynamic response of the head due to G-z acceleration. The experimental data used were collected from the biodynamic responses of human volunteers during an acceleration in the z direction on the drop tower facility at Armstrong Laboratory at Wright Patterson Air Force Base (WPAFB). Three finite element models were developed: an elastic local model, viscoelastic local model and complete viscoelastic model. I-DEAS software was used to create the solid models, the loadings and the boundary conditions. Then, ABAQUS finite element software was employed to solve the models, and thus the stresses on each vertebral level were determined. Beam elements with different properties were employed to simulate the ligaments, articular facets and muscles. The complete viscoelastic model was subjected to 11 cases of loadings ranging from 8 G-z to 20 G-z accelerations. The von Mises and Maximum Principal stress fields, which are good indicators of bone failure, were calculated for all the cases. The results indicated that the maximum stress in all cases increased as the magnitude of the acceleration increased. The stresses in the 10 to 12 G-z cases were comfortably below the injury threshold level. The majority of the maximum stresses occurred in C6 and C4 regions.     

优化取栓支架的力学性能

目的 分析不同结构的取栓支架的机械性能，为取栓支架的设计以及临床选择提供理论支持。方法 通过有限元分析以及体外模拟实验对3款不同结构的取栓支架（B3、K4、X）进行评估，分析指标是径向支撑力、回撤力以及模拟取栓过程中的血栓状态。结果 实验得到B3、K4、X取栓支架的径向支撑力分别为0.48、0.43、0.51 N，且压握尺寸越大，取栓支架的径向支撑力越大；当压握尺寸大于3 mm时，支架的径向支撑力显著增大。模拟取栓实验结果表明，B3、K4、X支架的回撤力峰值分别为0.410、0.451、0.501 N，实验结果与有限元分析的结果具有趋势一致性。结论 实验结果与有限元结果均表明，X支架具有更好的力学性能。此方法可作为评估取栓支架性能的一种分析方法，为取栓支架的性能提高和研发提供参考。     

High Fidelity Virtual Stenting (HiFiVS) for Intracranial Aneurysm Flow Diversion: In Vitro and In Silico

A flow diverter (FD) is a flexible, densely braided stent-mesh device placed endoluminally across an intracranial aneurysm to induce its thrombotic occlusion. FD treatment planning using computational virtual stenting and flow simulation requires accurate representation of the expanded FD geometry. We have recently developed a high fidelity virtual stenting (HiFiVS) technique based on finite element analysis to simulate detailed FD deployment processes in patient-specific aneurysms (Ma et al. J. Biomech. 45:2256–2263, 2012). This study tests if HiFiVS simulation can recapitulate real-life FD implantation. We deployed two identical FDs (Pipeline Embolization Device) into phantoms of a wide-necked segmental aneurysm using a clinical push–pull technique with different delivery wire advancements. We then simulated these deployment processes using HiFiVS and compared results against experimental recording. Stepwise comparison shows that the simulations precisely reproduced the FD deployment processes recorded in vitro. The local metal coverage rate and pore density quantifications demonstrated that simulations reproduced detailed FD mesh geometry. These results provide validation of the HiFiVS technique, highlighting its unique capability of accurately representing stent intervention in silico.