生物医用支架的形变仿真分析

Caty Fairclough 2018年 2月 13日

动脉粥样硬化是一种常见的心血管疾病,患者的动脉会因斑块积聚而变得十分狭窄。医生在进行治疗时,会在阻塞的动脉中插入一个小小的金属丝网状管,即所谓的支架。支架扩张后,可以撑开动脉,恢复血液的流动。为了顺利进行手术,并尽量减少潜在的健康危害,支架设计必须经过全面的研究和优化。为此,我们可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件对支架进行非线性结构力学分析。

生物医用支架改善患者生活质量

动脉粥样硬化的一种常见治疗方法是经皮腔内血管成形术,这种手术可以清除或抑制患者冠状动脉中积聚的多余斑块。在一些情况下,手术必须使用支架,而支架利用了血管成形术的球囊,将自身固定在动脉的堵塞部位。

支架到达预定位置后,可以随着球囊一起膨胀,从而卡住扩张部位。球囊放气后取出,只留下支架支撑动脉。膨胀的支架发挥了类似于脚手架的功能,它有助于血管保持畅通,促进血液正常流动。

 生物医用支架的形变仿真分析
支架实例。图片由 Lenore Edman 提供。在 CC BY 2.0 许可下使用,通过 Flickr Creative Commons 分享。

当然,要提高血管成形术手术的成功率,支架必须发挥预期效果。如果支架端部的扩张程度超过中间段(这类易发生的缺陷被称作 dogboning 效应),动脉可能遭受严重的损伤。另一个潜在问题是前缩,它导致支架难以放置,而且可能损伤动脉。

为了避免这些问题,顺利完成血管成形术,需要要对支架设计进行评估,其中一个重要步骤便是分析支架的形变。

使用 COMSOL Multiphysics® 研究支架的形变过程

让我们以 Palmaz-Schatz 支架模型为例进行分析,其几何结构见下图。此模型分析了管的内表面受径向向外的压力后,致使不锈钢支架膨胀而产生的应力和形变。(压力表示球囊扩张。)支架的原始直径为 0.74 mm,扩张后,中段的直径为 2 mm。

因为支架几何结构具有对称性,所以我们可以将模型的尺寸减小为原始几何结果的 1/24,从而最小化仿真的计算成本。

biomedical stent simulation geometry 生物医用支架的形变仿真分析
完整的支架几何结构。在本例中,简化的几何结构由深色的网格区域表示。

非线性结构力学的分析结果

首先,我们观察一下支架在手术过程中经受的各种应力和应变。下方左图显示了球囊膨胀最大时支架中的应力分布,右图为球囊放气后支架中的残余应力。不出所料,球囊放气后,支架中的应力减少。

deformation plot biomedical stent expansion 生物医用支架的形变仿真分析
plotting remanent stress in stent 生物医用支架的形变仿真分析

球囊膨胀时(左侧)和球囊缩小后(右侧)支架中的应力。

下一步,分析在球囊膨胀过程中,dogboning 效应(蓝色)和前缩(绿色)产生的影响与压力之间的关系。根据绘图,我们能够排查出支架设计中潜在的不利因素,并优化其性能。

Biomedical stent dogboning foreshortening graph 生物医用支架的形变仿真分析
支架中的 dogboning 效应和前缩效应与血管成形术球囊压力之间的关系。

此外,我们研究了当 dogboning 效应最大时管内的有效塑性应变,请参照下图。

biomedical stent simulation 生物医用支架的形变仿真分析
dogboning 效应最大时的有效塑性应变和形变。峰值约为 25%。

至于回缩率参数,纵向回缩率约为 -0.9%,远端径向回缩率约为 0.4%,中心径向回缩率约为 0.7%。根据这些参数,我们可以详细推测出膨胀的球囊被移除时支架的性能表现。

下一步操作

利用这些仿真知识,工程师能够有效改进支架的设计,并优化其在生物医学应用中的应用。如您希望详细了解此案例,请点击下面的按钮。

扩展阅读


加载评论……