论文总字数：19499字

摘 要

冠脉支架植入术是目前治疗冠心病的主要手段之一,而支架的扩张的效果是手术成功与否的关键。

本文针对使用材料为316L不锈钢的连接筋形状为“M”形的球囊扩张式冠脉血管支架,运用有限元软件ANSYS Workbench 15.0模拟血管支架在受到膨胀球囊的压力作用下的扩张过程中的变形情况和应力应变情况,并对结果进行分析。具体分析流程如下：

（1）进行支架的自由扩张。在支架内表面直接施加一个压力,验证了对应材料属性的支架在合适条件下能进行自由扩张。

（2）添加球囊模型，仿真分析支架的球囊扩张过程，根据结果发现在扩张过程中支架的最大应变与最大应力位置都处于支撑筋与连接筋的衔接处内侧表面，判定此处为支架在球囊扩张过程中的薄弱环节。当球囊收缩，支架失去球囊对它的作用力后，支架有一个径向回弹的过程。支架在扩张过程中，存在轴向收缩现象。

（3）分别更换不同厚度与不同筋宽但是形状相同的支架进行扩张分析。由于支架的自由扩张与球囊扩张的仿真结果相近，为了简化计算，仅对不同尺寸的支架进行自由扩张分析。结果发现在不影响支架扩张的条件下，筋宽和厚度的增加均能减缓支架的回弹，并且宽度的影响更大。由于可能是血管和斑块的材料属性设置等出现问题，血管、支架和球囊耦合模型的有限元分析并没有完成。

将现有分析结论与其他论文结果进行了比较，就支架的薄弱环节结论以及回弹和轴向缩短结论基本一致。

关键词：冠脉支架，球囊扩张，有限元分析，ANSYS Workbench15.0

The finite element analysis of balloon-expansion coronary stents

02011222 Hua Yujun

Supervised by Cheng Jie

Abstract:

Intracoronary stent implantation is one of the main methods treating coronary heart disease, and the effect of the stent’s expansion is the key to the success of the operation.

In the thesis, ANSYS workbench, the finite element software, is used to analyze the stress, strain and deformation of the coronary stent and discuss the results of the analysis. The process of the finite element analysis is as follow:

First, the free-expansion of the stent is analyzed. A stress is pressured on the inner surface of the stent directly. It is proved that the stent with the right material properties can expand freely under the right condition.

Second, the model of balloon is added and the balloon-expansion of the stent is analyzed. It is found that the maximum stress and the maximum strain appear at the same position at the inner surface of the stent where the support frame and the link span connect with each other. Then it is judged that this position is the weak link during the expansion of the stent. When the balloon shrinks, the stent has radial springback. The stent has axial shrink during the process of its expansion.

Then, changing the different thickness and width of the stent and doing the same analysis, then it is found that the increase of the thickness and the width can reduce the degree of the radial springback. The influence of the width is greater. Perhaps there are some mistakes during the setting of the vessel and the plaque’s material properties , it is failed to complete the analysis of coupling model of vessel, stent and balloon.

Comparing the results of analysis with some other literature research, it is found that they are the same in terms of the weak link, radial springback and axial shrink, mainly.

Key words: coronary stents, balloon-expansion, the finite element analysis,

ANSYS Workbench 15.0

目 录

摘要： Ⅰ

Abstract: Ⅱ

第一章 引 言 1

1.1研究背景 1

1.1.1 冠心病的介入治疗 1

1.1.2 血管支架球囊扩张模拟的研究现状 2

1.2研究的目的及意义 3

第二章 有限元分析基础 4

2.1 有限元方法概述 4

2.2 有限元算法 4

2.3 有限元分析步骤 4

2.4 支架扩张模拟的有限元基础理论 4

2.4.1材料非线性 4

2.4.2几何非线性 4

2.4.3接触非线性 5

第三章 血管支架球囊扩张有限元分析建模 6

3.1 几何建模方法 6

3.1.1 不锈钢支架 6

3.1.2 球囊 7

3.2 材料模型选取 7

3.3 网格划分方法 8

3.4 边界条件 10

3.5 分析设置 10

3.5.1 载荷步设置 10

3.5.2 求解器设置 10

3.6载荷定义 11

3.7接触与摩擦的处理 11

第四章 有限元计算结果分析 12

4.1支架的自由扩张分析 12

4.2 支架球囊扩张有限元分析 12

4.2.1 应力分析 14

4.2.2 应变分析 15

4.2.3 支架的变形情况 15

4.2.4 支架球囊扩张分析总结 16

4.3不同支架支撑筋宽度的自由扩张结果 17

4.4 不同支架筋厚的自由扩张结果 18

4.5 不同尺寸参数对支架回弹的影响 19

第五章 总 结 19

5.1 有限元计算的总体评价 19

5.2 展望 19

致谢 20

参考文献(References) 21

第一章 引 言

1.1研究背景

伴随着社会的进步，人类的物质文明日益发展。现如今，健康已成为人们最为关心的问题。其中，因心血管狭窄而引起的的冠心病已成为危及人们健康的主要疾病之一。目前治疗冠心病的一种有效的方法是在狭窄或闭塞的冠脉内植入冠脉支架使血液恢复流畅，冠脉支架植入术是在PTCA（经皮穿刺冠状动脉支架技术）的基础上发展起来的一种治疗冠心病的手段。

1.1.1 冠心病的介入治疗

血管支架(Stent)是指在管腔球囊扩张成形术的基础上，在病变闭塞的血管段内植入的一种网孔状结构的管状支撑物。它所起到的是支撑病变闭塞血管、恢复血管内血液流通顺畅的作用，部分支架还具有预防再狭窄的作用。血管支架体积很小，如图1.1-1所示，图1.1-2为不同状态下的血管支架。其采用金属或高分子材料加工制成，可根据需要长期或暂时留于人体血管内。血管支架目前主要分为：冠状动脉支架、肾动脉支架、大动脉支架、脑血管支架等。

图1.1-1 血管支架

图1.1-2 不同状态的血管支架

其中左边为扩张状态下的血管支架，右边为压缩状态下的血管支架

目前认为完美的血管支架应该具有：

(1)传递性能力强：传递支架至病变位置的能力；

(2)可视性能力好：透视下支架的可确认性；

(3)扩张后的覆盖面积大：完全覆盖病变血管；

(4)顺应性能力高：膨胀支架沿纵向轴的弯曲程度；

(5)生物相容性能力好：预防腐蚀、血栓；

(6)抗血栓性能力强：；

(7)辐射张力能力高；

(8)轴向缩短性能力小；

(9)满足良好的流体动力学特性；

(10)植入后无支架内再狭窄现象。

在PTCA(经皮冠状动脉腔内成形术)中，植入人体冠状动脉内的管网状金属支撑物被称为冠脉支架(Coronary stent)。在 PCI （经皮冠状动脉介入治疗）手术中，冠脉支架经压缩后附着于球囊导管的球囊上，通过球囊导管装置将其输送到目标冠状动脉病变处。通过向球囊内加压使球囊不断膨胀，撑开冠脉支架，使得支架与血管接触，从而进一步的撑开闭塞处的病变冠脉血管，最后在将支架撑开到目标大小后，球囊放气，与支架脱离，撤出球囊导管。而冠脉支架将置于病变处，起到扩张病变冠脉，恢复血液流动通畅的作用。在冠脉支架植入手术的过程中，通过使用 X 射线诊断仪进行 X 射线透射和摄片来确定冠状动脉内的阻塞部位以及监视球囊导管送入人体冠状动脉阻塞部位的全过程。支架植入过程如图1.1-3所示。

图1.1-3 冠脉支架植入过程

1.1.2 血管支架球囊扩张模拟的研究现状

国外对血管支架的研究与应用是从20世纪60年代开始的。在这方面，国外的发展很快，截止到目前为止，基本上血管支架的主要研究成果都来源于国外。

与本课题研究内容相关的成果有：

S. N. David Chua和B. J. Mac Donald等人通过有限元方法分析研究了一种血管支架在球囊膨胀时带动支架一起扩张的过程中的力学行为和变形行为[1]；

N. Eshghi和M.H. Hojjati等人研究了某种冠脉支架在病变冠脉内的扩张特性，并且模拟仿真了支架植入的整个过程[2]；

Francesco Migliavacca和Lorenza Petrini等人利用有限元方法分析研究了经典菱形Palmaz – Schatz冠脉支架在不同的几何参数(如筋厚、金属覆盖率和径向切长度)条件下的机械性能。另外还分析了另外两种不同结构类型的冠脉支架的材料非线性与几何非线性(大位移和大变形)，最后对这两种支架的形状和性能的优化提出了见解[3]；

C. Lally，F. Dolan和P. J. Prendergast利用有限元方法分析研究了Medtronic公司生产的AVE S7型支架和Boston公司生产的NIR型支架的机械行为。通过仿真得出的结果来确定在血管支架术中，血管支架与动脉粥样硬化血管之间的生物力学特性[4]；

Frank J.H. Gijsen和Francesco Migliavacca等人构建了一个真实的人体内轻度闭塞的三维冠状动脉模型，并利用有限元方法仿真模拟了支架植入的整个过程[5]；

Dohyung Lim和Seung-Kwan Cho等人通过有限元方法分析了七种商用血管支架在球囊-支架瞬态不均匀膨胀过程中的机械行为和机械性能，并通过对比实验数据，发现修改支架的设计参数能减少因支架轴向缩短和“狗骨头”（dogboning）现象而导致的血管再狭窄的风险[6]；

Sanjay Pant和Neil W. Bressloff等人利用有限元软件模拟仿真了与病变冠脉接触的支架的扩张过程(利用球囊膨胀)以及药物释放的过程，得出了用以评估支架性能的参数，并且通过改变支架的连接筋和周向环的形状来改进支架几何参数化工艺[7]。

国内在这个领域的研究成果有：

东南大学机械工程系 王跃轩和易红等人对支架植入时的扩张过程进行了实例分析，验证了应用有限元法进行支架设计研究的分析方法的可行性，提出了支架在体外扩张的实验研究的解决方案[9]；

大连理工大学材料学院 梁栋科等人研究了一种支架在支架植入的过程中支架与斑块、血管的相互作用以及血流情况对支架的影响[10], 对有限元技术中镍钛合金材料模型的建模方法进行了介绍，并利用软件分析了一种超弹性镍钛合金血管内支架的自膨胀过程[11]；

大连理工大学机械工程学院 邵长飞、董何彦等人使用有限元法分析研究了两种使用不同设计的不锈钢支架，进行了相对应的支架扩张和弯曲实验，对影响支架这两大性能的尺寸参数进行了分析和研究[12]；

皇甫强，于振涛等人对使用新型钛合金材料的血管支架的加工、表面处理、性能测试以及生物学评价等4个方面进行了系统研究[13]；

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