药物洗脱支架置入弯曲冠状动脉血管后药物浓度场及壁面切应力分布

背景:血管闭塞性疾病主要治疗方法之一,支架置入的后期再狭窄问题开始制约支架的进一步发展。目的:分析药物洗脱支架置入弯曲冠脉血管后的药物浓度场及壁面切应力分布规律,为临床应用及药物洗脱支架的进一步完善提供理论指导。方法:选取3种药物释放率情况,采用数值方法对药物洗脱支架置入弯曲冠脉后的药物浓度场和壁面切应力情况进行分析。结果与结论:血管的弯曲和支架的置入对药物扩散的浓度场有较大影响。药物释放速率的改变对浓度分布规律没有影响。由于流场分布的不均匀,弯曲冠脉血管内侧的药物浓度高于外侧,下游的浓度高于上游。外侧支架附近的血管壁上出现低切应力区,加上低的药物浓度分布,使得这些位置(特别是上游区域)成为再狭窄萌发的高危险区。结果提示,如果根据置入支架所处位置的流场分布特点,有意识的对支架表面载药量的分配分布进行合理的优化,适当增加上游和外侧药物涂层的浓度,减少下游和内侧涂层的浓度;增加径向连接筋的载药量,减少连接筋数目,充分利用流动带来的上游药物浓度,使得血管壁附近的药物浓度分布更加均匀合理,这将既节省药量,又有利于抑制内膜增生。     

两类药物洗脱支架药物释放曲线对血管壁内药物浓度影响的数值研究

研究两类药物释放曲线对血管壁中药物浓度分布的影响,为药物洗脱支架（DES）的优化设计提供依据;建立三维支架-血管模型,采用数值方法分析了雷帕霉素和紫杉醇两种药物释放曲线下血管壁中药物的浓度分布;初始药物释放率的增大会导致初始血管壁内药物浓度的增大,但随着时间的增加,血管壁中的药物浓度均趋于平稳。两种药物释放曲线下血管壁中的药物浓度均是随着时间的变化先增加后减少的,相比来说,雷帕霉素血管壁中的药物浓度随着时间变化的趋势要比紫杉醇血管壁中的药物浓度随着时间变化的趋势平稳,并且雷帕霉素血管壁中的药物浓度分布要比紫杉醇中血管壁中的药物浓度分布均匀。血管壁中药物浓度变化趋势的平稳性以及药物浓度分布的均匀性表明,雷帕霉素药物释放曲线要优于紫杉醇药物释放曲线。     

药物洗脱支架植入病灶部位后的血流特性

目的 研究冠脉内植入药物释放支架后的血液流动特性,为临床应用及改善药物洗脱支架的设计提供理论指导。方法 建立病灶部位植入药物洗脱支架后的数值模型,利用计算流体动力学方法进行药物浓度分布及壁面剪切力分布的数值分析研究,并将计算结果与裸金属支架植入后的计算结果进行比较。结果 药物洗脱支架在血流过程中产生的低壁面剪切力区域几乎都伴随着较高的药物浓度分布,而低药物浓度区域则伴随的是较高的壁面剪切力分布,显著地减少了低壁面剪切力区域或低药物浓度区域独立存在的区域。理论上,药物释放支架在药物释放阶段比植入裸金属支架具有优越性。结论 药物洗脱支架能够显著降低支架内的再狭窄率。详细了解药物洗脱支架的流场分布规律将有利于改善药物洗脱支架的设计,进一步提高支架的整体性能,为临床应用提供理论依据。     

支架筋截面形状对血流动力学影响的数值分析

通过对方形、圆形和椭圆形三种横截面支架筋附近的血流动力学数值分析,对优化设计支架结构提供流体力学理论指导。利用边界元方法,计算了血液流场、血管壁切应力及支架筋所受压力。与方形和圆形截面支架筋比较,椭圆形截面支架筋对血流的扰动较小,支架筋所受压力较对称,并且支架筋间没有形成低切应力区。椭圆形截面支架筋对增加支架置入后的稳定性、防止再狭窄有一定的优越性。     

支架置入椎动脉开口处狭窄后突出距离的血流动力学分析

目的探讨支架置入椎动脉开口处狭窄后突出到左锁骨下动脉的距离对局部血流动力学的影响。方法分别构建未置入支架(模型1)以及置入支架无下移(模型2)、下移1 mm(模型3)、2 mm(模型4)、3 mm(模型5)的椎动脉模型。利用计算流体力学方法进行数值模拟,比较不同模型的血流流速、壁面切应力等血流动力学差异。结果支架置入术后,模型2的支架段壁面切应力降低85.33%、血流速度降低35.36%、旋动流现象消失。支架下移不同程度的几个模型相比,狭窄段的壁面切应力相差最大0.76%、血流速度相差最大0.45%。结论支架的置入椎动脉开口狭窄后的血流动力学变化显著,而支架下移距离对椎动脉流速和壁面切应力的影响不明显。     

动脉粥样硬化斑块对药物洗脱支架药物扩散影响的数值分析

目的为更真实地反映药物在血管壁内的分布情况,研究动脉粥样硬化斑块药物扩散系数对血管壁组织中药物扩散的影响。方法采用计算流体动力学方法,考虑5种不同药物扩散系数的斑块,研究血管壁组织和斑块中药物浓度的分布。结果随着斑块药物扩散系数的增加,血管壁中药物含量也逐渐增加,但增加的幅度逐渐趋于平缓。结论当斑块扩散系数小于组织时,斑块对血管壁中药物扩散起抑制作用,反之起促进作用。特别是当斑块中的药物扩散系数远大于血管壁时,其不再影响药物在血管壁中的扩散。在今后的研究中考虑斑块的影响是有必要的,这有利于对药物洗脱支架的优化设计。     

多层裸支架植入主动脉夹层的流固耦合数值模拟

目的提出一种基于理想几何的单向流固耦合计算方法,用于分析多层裸支架干预后主动脉夹层假腔内的血流动力学和假腔壁面应力特征。方法根据假腔是否累及分支动脉将模型分为两类,建立单向流固耦合仿真模型以考察流体域对固体域的影响。模拟不同手术策略干预下,术后假腔内的血流动力学和壁面应力状态,并对血栓形成前后的假腔壁面应力状态进行对比分析。结果忽略支架释放过程对假腔壁面应力的计算影响较小。仅用多层裸支架无法有效缩小假腔内的高流速、高壁面剪切力(wall shear stress,WSS)区域;仅用覆膜支架封堵近端入口,远端将维持高流速、高WSS区域;覆膜支架和多层裸支架联合使用会使假腔内出现最大范围的低流速和低WSS区域,最大程度降低假腔内的压力和壁面应力。与有分支动脉模型相比,无分支动脉模型术后更易形成低流速、低WSS区域,但其术后假腔内血压更高。假腔内血栓的形成可大幅降低血栓覆盖区域的壁面应力。结论所提出的计算方法可同时分析术后假腔内的血流动力学和壁面应力特征,为研究多层裸支架引发假腔血栓化及主动脉再膨大的力学机理提供支撑。     

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。     

支架治疗主动脉弓内侧动脉瘤的仿真研究

血管内支架是治疗主动脉弓动脉瘤的一种新技术。目前还没有人对具有局部突起的动脉瘤支架治疗血流动力学进行过研究。基于这样的事实,本仿真研究对主动脉弓内侧动脉瘤的支架治疗进行血流动力学分析。为便于比较,分别建立了有支架和无支架的主动脉弓动脉瘤模型。利用计算流体力学的方法对两个模型中的生理性血液流动进行了仿真。对流动情形、压力和壁面切应力分布进行了比较和分析,以便评价血管内支架对主动脉弓动脉瘤治疗的效果。结果表明,有支架的模型和无支架的模型,在瘤腔内的流动情形具有显著的不同。有支架模型瘤腔内的流动受到明显的抑制,特别是局部突起处的压力和壁面切应力大大地减小了。这些现象使我们有理由推断,血管内支架可以促进瘤腔内血栓的形成,并能减小动脉瘤破裂的危险。     

一种可以避免血管再狭窄的双移植管搭桥方式的数值模拟

目的为改善冠状动脉旁路移植管的局部血流动力学,降低血管再狭窄的发生机率,研究一种可以避免血管再狭窄的双移植管搭桥方式。方法利用有限元分析方法,对传统模型和双移植管搭桥模型进行血流动力学模拟仿真,计算缝合区附近的流场、壁面切应力等血流动力学因素的分布情况。结果该双移植管搭桥具有较好的血流动力学分布,明显改善了主搭桥血管与冠状动脉缝合处的血流动力学参数,消除了该部位的涡流和流动停滞点,提高了底面的壁面切应力数值。在辅助搭桥血管与冠状动脉缝合处涡流区长度仅3 mm,与原主搭桥血管缝合处的涡流长度4.5 mm相比明显减小。辅助搭桥管分流了约36%的血液,只有约64%的血液流过了主搭桥管。结论该双移植管搭桥有助于减小内膜增生的发生机率。     

支架参数对血管壁面剪切应力的影响

目的研究不同支架参数对血管壁面再狭窄的影响,为设计支架形式提供参考和依据。方法根据支柱的螺纹节距、支柱数目、支柱线径、支架突入流域深度、支柱截面形状对支架进行分组,利用三维计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟方法研究各个参数的不同设置对血管壁面剪切应力分布的影响。结果支架的支柱线径对壁面剪切应力影响最为显著,并且支架参数中节距变短、支柱数目增加、线径变宽、突入流域深度增加会导致壁面低剪切应力区域面积增加;相对于三角形与正方形截面形状,圆形截面支架导致的低剪切应力区域面积更少。结论支架在设计过程中应采用圆形截面,而且应尽可能缩小线径,增长节距,减少支柱数目,减小突入流域深度。     

Topology optimization of a novel stent platform with drug reservoirs

The new generation of drug-eluting stents (DES) is required to control drug release kinetics. A novel DES (the Conor stent) with drug reservoirs on struts has been engineered. Topology optimization of one Conor stent strut was based on the commercial finite element analysis code OptiStruct, with the aim of increasing the strut stiffness while retaining its drug holding capacity. Results show that the element density distribution of the strut model was optimized with manufacturing constraints of extrusion constraint and minimum member size control. The optimal result was directly transformed to a clear, manufacturable design concept using the OptiStruct utility OSSmooth. The final manufacturing design increased the strut stiffness and yielded better stress distribution, as compared to the original strut design under the same loading. Topology optimization may help designers devise novel stent platforms for future DES with drug reservoirs and adequate scaffolding.     

FEA Study on the Stress Distributions in the Polymer Coatings of Cardiovascular Drug-Eluting Stent Medical Devices

Cardiovascular drug-eluting stents (DES) are widely applied medical products to treat diseased narrowed arteries. Despite their wide application, there still are many clinical adverse effects associated with DES implantation. One of the major issues is that the coatings comprised of drug and polymer phases are often delaminated during the deployment of the stent, which can lead to more serious clinical complications. In the present work, we conducted a 3D finite-element analysis (FEA) computational study to quantitatively estimate the stress distributions in the coating components of DES devices. To adequately represent the skeleton design of modern DES products, we adopted the strut geometry of a SYNERGY stent along with a full coating of poly(lactic-co-glycolic) acid. The FEA computation results clearly indicate that the curved regions (i.e., kink) are subject to much higher stress accumulation in the coating. In addition, it was found that the local shear and normal stress distribution profiles in the polymer coatings are different from those based on von-Mises stresses near the kink area.     

药物洗脱支架在弯曲动脉中药物沉积量的数值分析

目的分析弯曲动脉中药物洗脱支架间距和药物释放位置对血管壁内药物沉积量的影响。方法采用二维弯曲血管和支架模型,对单一支架筋不同表面载药和不同支架间距(1、3和7倍支架筋宽)下血管壁内药物沉积量进行数值研究,并将计算结果与直管中情况进行比较。结果药物从单一支架筋4个不同表面所产生的药物沉积量有较大差异,与直管相比,顶面的绝对优势在弯管中被减弱,近端的弱势在弯管中有大幅提高,远端变化不大。随着支架筋间距的增大,沉积量平均值增大,但变化幅度不如直管中剧烈。弯管内外侧形成沉积量差,外侧比内侧小很多。结论局部流场的改变,药物从支架筋表面洗脱的位置以及多个支架筋的间距对弯曲血管中的药物沉积量有显著影响,且影响结果与直管中明显不同。     

Three-Dimensional Computational Fluid Dynamics Modeling of Alterations in Coronary Wall Shear Stress Produced by Stent Implantation

Rates of coronary restenosis after stent implantation vary with stent design. Recent evidence suggests that alterations in wall shear stress associated with different stent types and changes in local vessel geometry after implantation may account for this disparity. We tested the hypothesis that wall shear stress is altered in a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model after coronary implantation of a 16 mm slotted-tube stent during simulations of resting blood flow and maximal vasodilation. Canine left anterior descending coronary artery blood flow velocity and interior diameter were used to construct CFD models and evaluate wall shear stress proximal and distal to and within the stented region. Channeling of adjacent blood layers due to stent geometry had a profound affect on wall shear stress. Stagnation zones were localized around stent struts. Minimum wall shear stress decreased by 77% in stented compared to unstented vessels. Regions of low wall shear stress were extended at the stent outlet and localized to regions where adjacent axial strut spacing was minimized and the circumferential distance between struts was greatest within the stent. The present results depict alterations in wall shear stress caused by a slotted-tube stent and support the hypothesis that stent geometry may be a risk factor for restenosis by affecting local wall shear stress distributions. © 2003 Biomedical Engineering Society. PAC2003: 8719Rr, 8710+e, 8780Rb, 8719Uv     

冠脉重叠支架虚拟置入的有限元分析

在经皮冠状动脉介入治疗(PCI)中,重叠支架多运用于治疗弥漫长病变冠脉。关于重叠支架的临床研究有很多,虽提供手术效果和支架的临床疗效,但不能直观地揭示重叠支架置入过程中支架与支架、支架与血管之间的相互作用。通过对重叠支架置入弥漫长病变冠脉进行有限元分析,观察支架置入过程中支架与血管形态和应力的改变,并对其进行分析。通过计算机断层扫描血管造影(CTA),重建出真实的右冠状动脉(RCA)弥漫长病变模型。应用有限元方法,对重叠Resolute 药物洗脱支架(DES)置入冠脉长病变过程进行模拟,重叠长度3 mm,整个过程包括支架的压握与输送、远端支架与近端支架的置入。在支架虚拟置入过程中,通过观察支架与血管形态和应力的变化进行支架与支架、支架与血管间相互作用的分析。支架置入后,管腔截面积由最初的1.4 mm²增加到6.5 mm²,血管狭窄得到很好的治疗。在支架重叠区域,位于外层的远端支架由于过度扩张,其应力大于近端支架的应力。管壁在支架重叠处的应力(0.64～0.81 MPa)大于非重叠区域的应力(0.32~0.56 MPa),重叠处的血管过度扩张使得管腔截面积没有受到重叠支架的影响。研究表明,重叠支架可使血管血流得以通畅,但支架重叠区域支架与血管的受力较大。     

Effects of Arterial Bifurcation Geometry on Nucleotide Concentration at the Endothelium

A mathematical and computational analysis of nucleotide concentration for a two-dimensional artery bifurcation has been developed. This region of the vasculature is known to be exposed to spatially varying wall shear stress (WSS), hence the variation of adenosine nucleotides is of interest. A previously derived similarity solution for mass transport in blood boundary layers for arbitrary wall shear stress function has been used. For the analytical model, the geometric condition has been incorporated into the system using the theory for flow past a wedge. As the bifurcation angle varies different characteristics are exhibited, such as maxima in ADP concentration and the existence of a low wall shear stress region around the stagnation point, for large angles. In the limiting case of two-dimensional stagnation point flow the concentration was constant throughout the domain length. The computational simulations provided a more detailed understanding into how nucleotides vary. Similarities existed between the two solution methods in the vicinity of the stagnation point, but deviated as the fully developed condition prevailed. Additionally, the effect of pulsatile flow has been included, leading to considerable gradients in wall shear stress, both temporal and spatial. However, the resulting nucleotide concentration is determined by the time-averaged wall shear stress. The effects of flow-induced ATP release have also been included, leading to significant changes in ATP concentration. Under rapid release, the concentration at the surface increased relative to the bulk concentration.