人体血管支架有限元分析
(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
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、
基于ABAQUS的心血管支架有限元模型的结果有效性分析
世界最新医学信息文摘 2019年 第19卷 第17期297投稿邮箱：zuixinyixue@·医疗器械·基于ABAQUS 的心血管支架有限元模型的结果有效性分析马竹樵，赵建平（南京理工大学 紫金学院，江苏 南京 210046）0 引言目前，想必很多人都曾或多或少的在生活中接触到“支架”这一名词。
其常常伴随各类心脏疾病出现的特点，使得众人闻“支架”色变。
本质上来说，支架只是一个体积小于指甲盖的金属框架，经由特殊手段输入人体后，撑开较为狭窄的血管段，保证血液的正常流通，避免脂质物质组成的粥样斑块堆积在血管内壁引发的阻塞[1]。
作为心血管介入手术中常用的医疗器械之一，支架随着其自身技术的不断革新有着多种分类方式。
依据结构设计的不同，分为缠绕型支架、模块状支架、网状支架等；依据制造材质的不同，分为镍钛合金，钴铬合金或不锈钢支架等；依据输送进入人体方式的不同，分为球囊膨胀型支架与自膨胀型支架[2]。
本文选用以TINI 合金为主材的模块状支架，其运送方法为球囊膨胀型。
以此为例，其治疗过程如图1所示。
图1 球囊膨胀型血管支架的治疗过程由此可见，在治疗的过程中，当退出所有的导管后，动脉支架就留在了已经被扩张的动脉狭窄处。
然而，受制于材料自身物理属性的问题，支架在血管中难免会产生由内部应力导致的回弹，其回弹程度的高低直接影响治疗效果的好坏[3]。
1 球囊膨胀型支架模型的建立1.1 球囊膨胀型支架三维模型的建立。
为了保证后期分析的顺利进行，文中利用与ABAQUS 同属法国达索公司的CATIA 三维建模软件建立相关模型。
1.1.1 球囊：球囊模型如下图2所示。
球囊由圆柱体薄膜单元与两个半球体相结合而成，其中圆柱体截面半径长度与球体半径长度一致。
其中，气囊的直径为1.2 mm ，壁厚为0.02 mm ，总长为10 mm ，如图2所示。
1.1.2 血管支架：血管支架由类S 形主体模块与类正余弦连接模块组合而成，具体模型如图3所示。
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。
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。
14576492_有限元分析在血管损伤中的应用
2 有限元分析的过程
个步骤:前处理,将一个具体问题转化为计算机用有
限元方法可以处 理 的 问 题,如 模 型 的 简 化、抽 象,网
格的建立和材料与边界条件的界定等;计算,就是让
电脑运算;后处理,将计算机的计算结果转化成人们
能够直观读懂的信息,如数据、云图、动画等
。
[
4-5]
1.
3 常用有限 元 软 件 目 前 国 内 广 泛 使 用 的 商 业
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25] Sh
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血管支架设计
37
3.支架优化设计
分析结果
● 压握
ppt课件
38
3.支架优化设计
分析结果
● 压握
ppt课件
39
3.支架优化设计
分析结果
● 柔顺
ppt课件
40
3.支架优化设计
分析结果
● 柔顺
ppt课件
41
3.支架优化设计
分析结果
● 柔顺
ppt课件
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3.支架优化设计
分析结果
● 接触
ppt课件
43
3.支架优化设计
第二次喷沙处理
高温热处理
ppt课件
第一次喷沙处理
49
4.支架生产制造
生产过程
管材
激光切割
打磨
ppt课件
一次喷砂
50
4.支架生产制造
生产过程
高温处理
二次喷砂
电解抛光
成品
ppt课件
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4.支架生产制造
压握
ppt课件
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5.支架性能测试
尺寸
● 释放直径 ● 标称直径 ● 轮廓投影仪或激光测微计（分辨率0.05mm）
分析结果
● 接触
ppt课件
44
3.支架优化设计
分析结果
● 接触
ppt课件
45
3.支架优化设计
分析结果
● 接触
ppt课件
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3.支架优化设计
分析结果
● 接触
ppt课件
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3.支架优化设计
分析结果
● 接触
ppt课件
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4.支架生产制造
生产流程
管材采购
波形设计
基于ABAQUS 的心血管支架有限元模型的结果有效性分析
世界最新医学信息文摘 2019年 第19卷 第17期297投稿邮箱：zuixinyixue@·医疗器械·基于ABAQUS 的心血管支架有限元模型的结果有效性分析马竹樵，赵建平（南京理工大学 紫金学院，江苏 南京 210046）0 引言目前，想必很多人都曾或多或少的在生活中接触到“支架”这一名词。
其常常伴随各类心脏疾病出现的特点，使得众人闻“支架”色变。
本质上来说，支架只是一个体积小于指甲盖的金属框架，经由特殊手段输入人体后，撑开较为狭窄的血管段，保证血液的正常流通，避免脂质物质组成的粥样斑块堆积在血管内壁引发的阻塞[1]。
作为心血管介入手术中常用的医疗器械之一，支架随着其自身技术的不断革新有着多种分类方式。
依据结构设计的不同，分为缠绕型支架、模块状支架、网状支架等；依据制造材质的不同，分为镍钛合金，钴铬合金或不锈钢支架等；依据输送进入人体方式的不同，分为球囊膨胀型支架与自膨胀型支架[2]。
本文选用以TINI 合金为主材的模块状支架，其运送方法为球囊膨胀型。
以此为例，其治疗过程如图1所示。
图1 球囊膨胀型血管支架的治疗过程由此可见，在治疗的过程中，当退出所有的导管后，动脉支架就留在了已经被扩张的动脉狭窄处。
然而，受制于材料自身物理属性的问题，支架在血管中难免会产生由内部应力导致的回弹，其回弹程度的高低直接影响治疗效果的好坏[3]。
1 球囊膨胀型支架模型的建立1.1 球囊膨胀型支架三维模型的建立。
为了保证后期分析的顺利进行，文中利用与ABAQUS 同属法国达索公司的CATIA 三维建模软件建立相关模型。
1.1.1 球囊：球囊模型如下图2所示。
球囊由圆柱体薄膜单元与两个半球体相结合而成，其中圆柱体截面半径长度与球体半径长度一致。
其中，气囊的直径为1.2 mm ，壁厚为0.02 mm ，总长为10 mm ，如图2所示。
1.1.2 血管支架：血管支架由类S 形主体模块与类正余弦连接模块组合而成，具体模型如图3所示。
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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
2 微创的介入法会应用到肿瘤的治疗上；
Thank you!
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
介入治疗的背景
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。
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
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；
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。
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％。
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
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
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
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
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
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
• 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