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。
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。
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。
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。
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。
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。
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