血管支架有限元优化设计
(完整版)血管支架设计

膨胀
3.支架优化设计
分析结果
膨胀
3.支架优化设计
分析结果
径向支撑力
3.支架优化设计
分析结果
压握
3.支架优化设计
分析结果
压握
3.支架优化设计
分析结果
柔顺
3.支架优化设计
分析结果
柔顺
3.支架优化设计
分析结果
柔顺
3.支架优化设计
2.血管支架设计
参数计算
ac b
参数 金属覆盖率 (Φ4mm) 轴向短缩率 径向回弹率 支架壁厚 显影效果 支架压握直径 均匀扩张程度 径向支撑力 柔顺性
数值 10%
≤ 2% ≤ 2% 0.004in 优秀 <1.1mm 优秀 良好 良好
参数 标称直径 长度 波形数 节长 节数
数值 4mm 20mm 7 5mm 4
2.血管支架设计
二维模型建立
AutoCAD
三维模型建立
SolidWorks
2.血管支架设计
支架建模II-SolidWorks
2.血管支架设计
支架建模II-SolidWorks
2.血管支架设计
支架建模III
SolidWorks
2.血管支架设计
支架建模III
Pro/E
2.血管支架设计
支架建模Ⅳ
Inventor
2.血管支架设计
支架建模Ⅳ
Inventor
3.支架优化设计
优化设计过程
径向支撑力 径向反弹比 轴向缩短率 轴向柔顺性
支架模型
有限元模型
求解
结果分析 N
设计 要求
利用有限元技术优化支架设计并应用

1序言某汽车厂研发的一款纯电动微型轿车,后桥为拖曳臂式半独立悬架,在样车路试阶段,汽车制动时后轮存在异响、抖动等问题,急需解决。
2原因分析汽车厂开发的后桥总成如图1所示。
经认真检查分析,在排除了轮毂、制动盘及钳体总成的原因后,我们认为制动时产生异响、抖动,可能有两个原因:一是钳体总成安装支架(见图2,以下简称支架)的刚度不够,制动时支架变形;二是支架的两耳面不在同一平面上,平行度超差。
这些原因造成钳体总成安装后,制动块与制动盘不平行,从而导致制动时出现抖动、异响。
支架的平行度经过测量为0.25mm,确实超差比较严重。
针对支架的刚度变形量,我们采用有限元技术分析刚性变形量的大小。
图1后桥总成图2安装支架3有限元CAE分析支架由6.5mm厚的Q235钢板弯曲而成,属于悬臂梁结构。
首先利用有限元CAE 技术对支架进行受力分析,支架用材料属性见表1。
表1支架用材料属性有限元CAE分析的主要步骤为:①对支架数模指派材料为Q235。
②划分网格,本零件划分网格类型为CTETRA(10),单元大小为2.5mm,如图3所示。
③添加边界条件,约束及载荷。
④利用Nastran求解器进行计算,查看位移大小,最大变形位移量为0.1069mm,支架的弹性变形量严重超差,如图4所示。
图3划分网格图4位移量计算结果4产品优化设计为了解决支架弹性变形较大的问题,必须增加支架的刚度,刚开始提出的方法是在支架两边各焊接一个加强板,如图5所示。
经有限元受力分析,刚度变形最大位移量为0.0856mm,效果并不明显,问题没有得到有效解决,此方法行不通。
图5焊接加强板示意根据以上探索及分析,要想解决根本问题,必须重新设计支架来满足要求。
第一,重新设计支架外形,结合后桥总成的空间要求,给支架的外轮廓加上翻边,增加其整体刚度。
第二,增加材料的厚度,但厚度不能无限制增加,要考虑到产品要求、工艺要求以及成本等因素。
经过综合考虑,将支架的材料厚度增加到8mm。
有限元法在血管支架生物力学性能评价中的应用_刘磊

▲图 5
轴向短缩率:
fs = l0 - ls / l0
( 2)
扩张不均匀率 R = dmax - dmin / dave2
( 3)
弹性回缩率 κ = dave1 - dave2 / dave2
( 4)
式中 fs 为轴向短缩率,ls 为扩张后长度,l0 为初始长度; R 为
Key words: finite element; endovascular stents; biomechanical performance; expansion simulation
血管支架成形术是将支架植入体内用来支撑血管和压 缩血管腔内斑块,防止血管回弹及内膜斑块向血管内突出的 一种介入手术。支架经输送系统送达病变部位后扩张,保持 血流畅通。血管支架作为人体植入物,必须具备优异的生物 力学性,包括: 扩张性、支撑性、柔顺性等,其中扩张性是重要 的指标,直接影响支架的植入过程以及术后的支撑性和血管 内再狭窄率。
向扩张,分析了 3 种截面、4 种尺寸的支架在扩张过程中主要 部位的残余应力; 周永恒等[2]建立球囊、支架模型,通过对球 囊内部加压扩张支架,分析了支架扩张过程的径向和轴向位 移、非线性回复量; 倪中华等[3] 建立支架、球囊耦合扩张模 型,通过四个分析阶段: 支架外表面施加压强压缩支架、球囊 内表面加压扩张支架、压强保持、压强卸载,对支架变形机理 进行了研究,并通过实验验证了有限元模拟结果与支架实际 扩张后形貌的一致性; 王文雯等[4]将变形过程分为: 对压握 壳施加径向位移压缩支架,对球囊施加径向位移扩张支架, 撤销球囊三个阶段,对三种结构支架进行了扩张模拟,分析 其生物力学性能; 李红霞等[5]对球囊施加气压使支架扩张后 再卸载,通过提取扩张后模型的节点信息重新建立变形后的 血管、血栓、支架及流体的耦合模型,进行了支架内血流动力 学分析。国外学者在进行血管支架的有限元分析中,同样做 了大量的扩张模拟工作。Dumoulin 和 Cochelin、
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。
基于生物力学性能的血管内支架弧梁单元结构优化设计_劳永华

中国组织工程研究与临床康复 第14卷 第30期 2010–07–23出版Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research July 23, 2010 Vol.14, No.30ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN: ZLKHAH5581School of Bioscience and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou510006, Guangdong Province, ChinaLao Yong-hua ☆, Studying fordoctorate, Lecturer, School of Bioscience and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou510006, Guangdong Province, China yhlao@Correspondence to: Huang Yue-shan, Doctor, Associate professor, School of Bioscience and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou510006, Guangdong Province, China bmbyshan@ Supported by: the Basic ScientificResearch of Central High Institutes, South China University of Technology, No. 2009ZM0075*Received: 2010-02-21Accepted: 2010-05-25基于生物力学性能的血管内支架弧梁单元结构优化设计*☆劳永华,支晓兴,林泽枫,李小您,岑人经,黄岳山Optimal design of intravascular stent arc-strut element structure based on biomechanical performanceLao Yong-hua, Zhi Xiao-xing, Lin Ze-feng, Li Xiao-nin, Cen Ren-jing, Huang Yue-shanAbstractBACKGROUND: Support the expansion of blood vessels in the implanted process of requires stent structure with complex biomechanical properties. The structure can achieve optimal overall performance by integrated multi-objective optimization. OBJECTIVE: Based on designs of various intravascular stent structures, the features parameters were extracted for optimization analysis of biomechanics.METHODS: Based on the analysis of biomechanical behavior: metal-based coverage, the maximal stent stress of expansion, maximal stent radius of expansion, axial recoil rate, radial recoil rate, finite element analysis software ADINA was used to establish 81 stent structures of closed, parallel, and open-arc strut element with different circumstantial unit number, arc-strut width and axial length of the stent unit element; the non-dimensional method and multi-objective optimum ranking was used to analyze the stent biomechanical behavior.RESULTS AND CONCLUSION: Results showed that mixture structure of stent with closed, parallel, and open-arc strut element can be designed, and that the structure possesses mainly large axial length of the stent’s closed, parallel strut element and small arc-strut width uniformly. It is significantly important for the stent structural design and mechanical behavior evaluation system.Lao YH, Zhi XX, Lin ZF, Li XN, Cen RJ, Huang YS. Optimal design of intravascular stent arc-strut element structure based on biomechanical performance.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu. 2010;14(30): 5581-5585. [ ]摘要背景:在扩张置入体内支撑血管的过程中血管内支架的结构需具备多种生物力学性能,支架结构可以通过综合多目标优化达到其整体性能的最佳状况。
血管支架结构有限元模拟与分析

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。
冠脉支架体外扩张过程的有限元分析

研究选用的支架材料型号分别为镁合金 WE 3( 4 泊松 比为 其施加反 向位移 , 支架发生小距离的压缩 回弹 ; 扩张阶段对球囊 0 7 , 1L . )3 6 不锈钢和 L 0 2 6 5钻铬合金( 泊松 比为 0 )材料模 型采 施加径 向位移 , ., 3 使支架 内径扩 至 O3 m 然后对球囊施 加反向 . m, 0 用 V nM ss o i 屈服准则和各 向同性等 向强化 准则来分析支架 的 e 位移 , 支架又发生小距离的扩张回弹。
的球囊结构 , 使其膨胀时 , 支架变形结果 良好 。一些科研人 员『 5 J 定 到材料 、 几何和接触等复杂 的非线性 问题 , 而支架结构的轴向又
量分 析了球囊扩张式 B e ct支架扩张变形及其卸载后轴向 具有周期性 , XV l i o y 因此为了减小计算量 , 只选取 了支架 的一个几何单
1 dpe e cm I ile no r p  ̄ sa m tfi
s el hl
大变形结果。 通过单轴拉伸试验 , 获得各种材料的特性参数 , 如表
1 所示 。
I I- ipa e n f al0 -I d s lc me t b l “ - o 0
郭飞飞 冯海全 江旭 东 韩 青松
( 内蒙古 工业 大学 机械 工程学 院 , 和浩 特 00 5 ) 呼 10 1
Th i i eme t alss o r n r t n to E p n i n Pr c s e F nt El e n An y i f Co o a y S e t n Vi x a so o e s i r
的基础上发展起来的又一种治疗 冠心病 的手段 , 使用 时 , 在球囊
缩短和径 向回弹效果 , 并与体外实验数据进行 了对 比。一些科研 人员 建立 了球囊扩 张式冠脉支 同建模策 略对支架扩张变形的影响。 一些科研人 员 通过分析球囊扩张式支架的一个重复结构单元 比较 了不 同连 接形式 的三种支架在扩张过程中发生的变化 , 出了小单元分析 提
血管内支架设计和检测中必不可少的助手一有限元分析法

。
每 年大 约 有 7 0 fL 美 元 的 全 球 市 场 而 且 有 不 断 增 加 的
,
趋势
。
从 发 展 历 史 来 看 研 究 者将 主 要 的精 力 放 在 了提
,
支 架 的概 念是D o t t e r e
第 第
l 9 6 9 年首先提 出的
Ⅲ
;
,
用来描
P a lm
”。
高支 架 的生 物相容性 机 械力学性 能和植 人 后 的再 狭
.
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.
国 家食 品 药 品 监 督管 理 局 济 南 医 疗 器 械 质 量 监 督检 验 中心 ( 山 东
【 摘
济南
.
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。
要 】 介 绍 了 国 内外 应 用 有 限 元 分 析 方 法
.
在 不 同 释 放 方 式 支架
、
支 架耐 疲 劳 性 能 及 支 架 柔 顺 性 等 方 面 研 究 的进 展
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文章 编 号
:
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血 管 内 支 架 设 计和 检 测 中必 不 可 少 的助 手 有 限 元分析 法
一
【 作
者】 张博
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胀,即两端先翘起的“狗骨头”状膨胀现象,是造成支架端部急性动脉损伤的主要原因之一,如何最大程度地减少支架瞬时膨胀过程中的“狗骨头”现象是减少这种损伤的关键因素。
因此,本研究预利用有限元技术来对血管支架瞬时膨胀过程中的力学行为进行分析,以期通过支架结构上的优化设计达到减少或消除其“狗骨头”膨胀现象的目的。
2模型与方法
2.1有限元模型
2.1.1几何模型球囊伎架系统在血管内的安放过程是一个十分复杂的生物力学过程,再加上对斑块、动脉等这些软组织以及它们之间的交互作用的力学模拟通常具有高度的非线性,因此,为了简化计算,本研究只考虑了球囊与支架这两个组成部分以及它们之间的相互作用。
所模拟的支架原型采用专有支架设计,支架的原始外径为1.56mm,支柱横截面近似为0.1瑚m×0.1mm的矩形,支架的原始长度为11.9mm。
这里采用比支架在每端长出来O.5mm的球囊与上述支架匹配,组成球囊伎架输
送系统,图1为其组合图,根据模型在长轴方向上的对称性,图中显示的组合模型为总模型的1/2。
球囊伎架系统的三维几何模型先由PI}0厄ngineer软件包建立,然后输入到如ys通用有限元软件包进行模拟分析。
2.1.2材料属性支架材料选用316L医用不锈钢,取其弹性模量为201GPa,泊松比为0.3。
因支架的几何大变形主要靠材料的局部塑性变形提供,材料特性采用vonMiseS屈服准则和各向同性多线性强化准则。
球囊在支架的大部分变形阶段中所受的分力很小,如果模拟真实的、折叠的球囊,必须进行动态模拟,且计算机性能要求很高,同时还要考虑球囊自身的接触等因素。
所以为简化计算而又不影响支架变形效果,用一厚为0.18mm的圆柱壳虚拟材料模型来模拟球囊。
此处把球囊作为各向同性线弹性材料,采用弹性模量为10MPa。
同时考虑其不可压缩性,泊松比选取为0.4999。
2.1.3网格划分和约束设置根据支架的结构特点,选用20节点solidl86单元进行网格划分。
针对球囊的壳状特征,选用4节点Shelll81单元进行网格划分[8J。
综合考虑支架、球囊各自的求解精度和整体求解效率的因素,球囊网格划分得相对粗糙,支架则相对精细。
最终网格划分结果如图2所示,支架筋的厚度和宽度方向上都至少有2层单元。
因球囊和支架问摩擦的参数未知,同时也为了进一步简化模型,在球囊和支架间建立了无摩擦接触模型。
以柱坐标为基础建立了球囊伎架系统的边界约束条件。
因为支架绕轴120。
旋转对称,所以。
实际计算中取球囊伎架在周向上的1/3作为研究对象。
对于球囊,为了保证其只发生径向上的位移,约束其两端在轴向上的位移,约束其两侧节点在周向上的位移,并偏移耦合其两侧节点的剩余自由度。
对于支架,约束其中间对称面在轴向上位移,约束其两侧循环对称面上在周向上的位移,循环对称面上其他两个方向的位移进行偏移耦合,支架端部则不受约束。
这样即保证了支架在模拟过程中不会产生刚性移动,同时又不阻碍其在径向和轴向上的自由变形。
圈1球囊/支架组合模型图
FiglBall0吼/如nt舾嘲IlblylIH埘
图2球囊伎架模型网格划分示例图
ng2
nm叫眵眦i佃oflT翳hedh¨鲫l/§teInass哪bly
2.1.4求解控制球囊伎架系统的膨胀,靠给球囊内壁加压来实现,所加压力值为1.0Ⅷa(约10atm)。
系统从最初原始状态开始向外膨胀。
因为球囊被当作线弹性圆柱壳材料来处理,在实际模拟分析中发现,对于单纯的球囊壳体,其在持续的受压膨胀过程中。
会不可避免地出现膨胀失稳的状态,亦即在球囊受压膨胀时,会出现直径持续增加,而压力不增加,反而减小的情况,这在数值求解上将会表现出刚度矩阵的奇异,对于这种情况,如果仍然采用常规的Ne叭on—Raphson迭代数值求解方法会导致严
重的收敛问题。
为此,此处采用弧长法进行静力求
图4球囊/支架模型在内压力作用下.量大膨胀直径达到2.8硼左右时的膨胀结果。
彩色云图代表着球囊伎架系统在径向上位移的变化
(a)模型A;(b)模型B;(c)模型C;(d)模型D
Flg4Simmati蛐r荡llItsoftl埒舟dimmspl粼科咖协off幽丌n-0dek.TI埒simuhtj硼ofn蟹∞驰璐i蛐ofb柚咖/steIIt掣s咖惴knIli珊tedwhmtl虻眦xim唧出卸—e协rof2.8删nw罄r目K捌
(a)modelA;(b)modelB;(c)modelC;(d)m3delD
作者早期的一篇关于支架防“狗骨头”设计的文章中曾指出,球囊伎架系统在瞬时膨胀过程中的“狗骨头”指标不仅与支架端部的结构强度相关,而且还与其球囊的过长量紧密相关。
通过减少球囊的过长量和增加支架端部网丝的宽度均可以减弱支架的“狗骨头”状膨胀现象,但是只有两种方法共同应用才能起到更加明显的效果【9J。
现在看来,通过增加支架端部支撑体筋的宽度这一途径来减少支架“狗骨头”现象,有可能会对支架与血管的柔性匹配(C0nfornnability,指支架撑开后顺应血管原始形状的能力,它和支架撑开后的轴向弯曲性能成正相关)产生影响,因为过度的增加支架端部支撑体筋的宽度,一方面会使得撑开后的支架端部弯曲刚性增大,不能很好地匹配血管柔性波动,影响到血液动力学,另一方面有可能增加支架端部血管壁的应力集中,促使血管内膜过度增生,从而引发后期的支架内再狭窄[10】。
而采用本文的这种由中间到端部逐渐地减小环状支撑体宽度的方法来进行支架防“狗骨头”的设计,较单纯的增加支架端部网丝尺寸的方法相比,一方面可以增加支架瞬时膨胀的均匀性,另一方面则不会过多地影响支架端部的弯曲刚性,也就是说,能够更好地与血管进行柔性匹配,从而降低支架端部的再狭窄几率,不过,这一结论还有待进一步的流体动力学和相应的实验验证。
4结论
(1)在支架的结构参数中环状支撑体的宽度对
支架膨胀压的影响非常显著,环状支撑体宽度小的结构所需要的临界以及后续膨胀压比较高。
在支架使用直径确定的情况下。
对于这种典型的“Z”字形或正弦波形环状支撑体结构的设计,应避免选取过窄的参数值。
(2)通过本文有限元模拟结果可知,在设计血管支架时,其环状支撑体结构的非对称设计,即环状支
撑体的宽度从中部到端部依次逐渐递减变化,可以有效抑制了球囊伎架系统在瞬时膨胀过程中的“狗骨头”现象。
从而有可能避免单纯靠增加支架端部筋宽来设计防“狗骨头”支架时所带来的弊端。
(3)本文关于血管支架的有限元分析结果,可以为其它类似血管支架的结构优化设计提供有益的帮助。
参考文献
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冠状动脉内支架进展.中国医疗器械信息.2000;6(2):6]
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