论文总字数：21805字

摘 要

冠脉支架术后的内膜增生以及再狭窄一直是导致支架植入手术失败的主要原因。而导致再狭窄的关键原因就在于支架植入后，血管的壁面形状发生了变化。当血液流经畸变的血管壁时，血液流动情况发生改变，出现血流的扰动和涡流情况。而这些血流动力学方面的变化，例如WSS值过小，就会影响再狭窄的发生。

本文通过计算流体力学（CFD）方法来计算所创建的三维支架——血管耦合模型。通过有限体积法（FVM）分析不同血流情况，以及支架工艺缺陷（不同轴）设计情况下的血流动力学变化，来观察血管的畸变对血液流动的影响，以及血液流动变化对WSS值变化的影响。观察WSS值的分布情况，当某一部分WSS值较小时则该部分易于发生病变。本文通过得到的结论来验证血流动力学对再狭窄的影响，并改善支架设计，从而减少术后内膜增生等病变的发生。

关键词：冠脉支架，CFD，有限体积法，WSS，工艺缺陷

Abstract

Endometrial hyperplasia and restenosis after coronary stenting have been the main reasons for the failure of stent implantation. The key reason for restenosis is that the shape of the wall changes after stent implantation. When blood flows through the wall of a distorted vessel, the flow of blood changes, causing disturbance and eddy of blood flow. These hemodynamic changes, such as low WSS values, can affect restenosis.

In this paper, the three-dimensional stent - vascular coupling model is calculated by computational fluid dynamics (CFD). By finite volume method (FVM) analysis of different blood flow, and support process defects (misalignment) hemodynamic changes of design case, to observe the blood vessels of distortion influence on blood flow, and the influence of blood flow on WSS value changes. Observe the distribution of WSS values. When a part of WSS was small, the part was prone to pathological changes. The conclusions obtained in this paper are to verify the effect of hemodynamics on restenosis and to improve the stent design, to reduce the occurrence of postoperative endometrial hyperplasia and other lesions.

KEY WORDS: Coronary artery stent, CFD, Finite volume method, WSS, Process defects

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 2

1.1 研究背景 2

1.1.1 冠心病的介入治疗 2

1.1.2 血管支架植入后血流动力学的研究现状 2

1.2 研究的目的及意义 2

1.3 论文的主要内容及结构 3

第二章 血流运动数值模拟分析基础 5

2.1 CFD方法概述 5

2.2 有限体积法概述 5

2.3 定常流/脉动流状态下有限体积算法 8

2.3.1 SIMPLE算法 8

2.3.2 PISO算法 10

第三章 血管支架血流动力学分析建模 12

3.1 血液及其流动特征 12

3.2 几何建模与血流动力学分析方法 13

3.3 网格划分与时间步长设置 16

3.4 边界条件 18

第四章 血管支架血流动力学数值仿真分析 20

4.1 定常流状态下的数值模拟结果 20

4.2 非定常流状态下的数值模拟结果 21

4.3 支架工艺同轴度对血流动力学的影响 22

4.4 血流动力学数值模拟结论 24

第五章 总结 26

5.1 数值模拟计算总体评价 26

5.2 展望 26

致谢 28

参考文献 29

引言

• • 1. 研究背景
       1. 冠心病的介入治疗

据世界卫生组织统计，心脑血管疾病是威胁人类健康的头号疾病。冠脉支架术是治疗由心血管狭窄引起的冠心病的有效的方法，但术后由于内膜增生等一系列因素造成的支架内再狭窄会使得手术失去效果。根据临床统计，有30％的患者在裸支架置入后3至6个月内会发生支架内再狭窄,该问题也是限制支架术临床应用和发展的最大的问题^[16]。支架植入后的局部血流动力学也包括在内膜增生等再狭窄的主要原因中，例如近壁面的（1）产生漩涡（2）血流停滞。因此支架内再狭窄和血栓形成会受支架结构影响。影响内膜增生与术后支架内再狭窄的关键原因，就是支架结构的不同从而引起的WSS的大小变化。支架植入后会使血管变形引起内壁不平滑并有凹陷，就会促使血液在经过血管内壁附近时，产生局部的不规则流动，并导致WSS的不正常分布以及过小，使得斑块形成和生长^[9]。故分析与研究（1）不同材质(2)不同制作工艺的支架植入前后支架——血管耦合模型几何参数改变所带来的流体动力性能的变化对优化支架的设计以及治疗心血管疾病是有重要意义的。

• • • 1. 血管支架植入后血流动力学的研究现状

1957年，Texon首先尝试以流体力学的观念来解释动脉粥样硬化产生的机理，虽然后来证明他的假说有瑕疵，但它却成为血流动力学(hemodynamics)的摇篮^[19]。血流动力学是一个新兴的单独的边缘学科，它在许多学科方面都有所涉及：生理学，流体力学物理学等。该学科主要研究的是血液在血管中的流体动力学性质，其中重点观察的就是壁面剪切应力WSS。血流动力学研究的主要目的就是分析血流在在血管中所带来的动力学变化，进而研究这种变化所会带来的可能的病变后果。通过分析上述结果，最终得到支架植入后不同因素对血管内膜增生发生可能性增加的大小，进而优化支架设计，达到减小支架再狭窄的概率的目的。

1. 血液流体力学性能与再狭窄和内膜增生间的关系

研究血流动力学的关键就是研究并分析血管内的壁面剪切应力WSS。一般分析方法有三种：①用CFD的方法来进行仿真模拟最终分析；②体外实验(invitro)；③体内实验(invivo) ^[20]。

最能直观的表现出支架植入后血管的变化的方法是体内实验观察，同时体内实验又分为人体与动物体实验两种。Liao等通过三维重构技术，在支架植入动脉后，研究了支架与动脉的作用情况。实验一共分析了100种不同的支架的作用情况。Papafaklis等对植入架后8个月的14位患者用血管内超声波或造影方法获得人体内支架段的血管重构，然后通过CFD方法得出该区域的壁面剪应力和内膜增生为负相关，并认为进行局部放射治疗能减少内膜的增生^[21]。Sanmartin等对7位患者在术后6个月时通过血管造影和血管内超声波探测获得了三维血管模型，通过CFD法计算了支架之前到之后4mm的壁面剪应力，表明壁面剪应力和内膜增生的反向关系^[22]。LaDisa等对6只实验用狗进行了支架植入左前降冠脉前后的血流动力学和壁面剪应力情况的对比，结果表明支架植入削弱了冠脉在血管舒张阶段的流体动力学的变化^[24]。LaDisa等通过测试血流波形、制作血流域数字模型、组织切片研究比较了植入支架14天和21天的兔髂动脉部位的壁面剪应力和内膜增生情况，表明支架植入将影响壁面剪应力的空间分布，从而调整内膜增生^[24]。

1. 在冠脉支架方面存在不足

根据上述的分析研究结果,尽管国内外许多学者对医疗支架再狭窄单一的机械性能(如交通、光滑、扩张、压力阻力,血流动力学性能)和测试分析方面取得了一些成就,但是在系统地考虑支架干预的实施可能会导致再狭窄的力学行为包括基本理论和综合性能测试时仍有很多不足。

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