论文总字数：25518字

摘 要

：随着物质生活水平的提高，心血管疾病已经成为人类的头号杀手。血管支架植入术是目前治疗血管狭窄性疾病最有效的方法。血管支架植入人体后可能会发生支架内再狭窄现象，这会影响支架手术后的疗效。利用有限元软件模拟支架植入血管的过程，可以测试支架的变形和力学性能，这对预防支架内再狭窄有很大的帮助。本论文中研究的是PLLA支架。本论文的主要研究内容和成果如下：

（1）通过对现有的各种支架的研究，以及查阅相关文献，进行新型血管支架的建模。在有限元软件中，将支架模型进行合理有效的网格划分，模拟支架在球囊膨胀作用下扩张的过程。在这过程中分析了支架以及球囊的应力应变情况、支架和球囊之间的相互位移关系、支架和球囊之间的相互接触关系。

（2）具体研究了支架的关键结构参数（比如支架的长度、支架筋的宽度和厚度、支架波形环的高度、连接杆长度和形状等）以及扩张直径对回弹性和缩短性的影响，经过分析可以得出结论：支架波形环的高度、扩张直径以及连接杆形状对这两个性能的影响比较显著。

这对支架结构的设计有很大的帮助。

1. 具体研究了支架的关键结构参数（比如支架筋的宽度和厚度、支架波形环的高度、连接杆长度和形状等）对柔顺性的影响，经过分析可以得出结论：支架的筋宽、筋厚以及连接杆长度对柔顺性影响比较显著。这对支架结构的设计有很大的帮助。

关键词：血管支架、有限元仿真、力学性能分析

The new digital design and structural

mechanics simulation of stent

02011215 GuYiqing

　　　　　　　　　　　　　　　　　　Supervised by NiZhonghua

Abstract：With the improvement of material life level, cardiovascular disease has become the leading killer of human . Stent implantation is the most effective way in treatment of vascular stenosis disease currently . Stent may occur stent restenosis phenomenon after implanting in the human body , which will affect the curative effect of stent after surgery. Using finite element software to simulate process of stents blood vessels, can test deformation and mechanics performance , which is of great help to the prevention of stent restenosis. This thesis studies the PLLA scaffold. In this paper the main research contents and results are as follows：

1. Modeling of new stents is based on the research of the existing various support and consulting relevant literature. In finite element software, t mesh stent model reasonably and effectively to simulate the process of stent expansion under the action of a balloon inflation. Look at the process of the scaffold as well as the stress and strain of the balloon, displacement relationship between stenting and balloon, contact relationship between stenting and balloon.
2. study the key structure parameters of the stent(such as the length of the stent, stents reinforcement width and thickness, the height of the wave ring, link rod length and shape, etc.) which influence on expansion diameter of resilience and shorten, through analysis we can draw the conclusion: the height of the bracket waveform ring, expansion diameter and connecting rod shape affect the performance of the two is significant.It was a great help to the design of stent structure.
3. study the key structure parameters of the stent(such as stents reinforcement width and thickness, the height of the wave ring, link rod length and shape, etc.) which influence on flexibility, through analysis we can draw the conclusion: stents reinforcement width, thickness and length of connecting rod is a significant influence on flexibility. It was a great help to the design of support structure.

Keywords: stents, finite element simulation, mechanical property analysis

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1血管狭窄的治疗方法 1

1.1.2血管支架的分类 2

1.1.3血管支架的性能要求 2

1.1.4聚左旋乳酸（PLLA） 3

1.2国内外血管支架研究现状 3

1.2.1血管支架结构设计 3

1.2.2支架力学性能分析 3

1.2.3小结 4

1.3课题研究意义与研究内容 4

1.3.1课题研究意义 4

1.3.2课题研究内容 4

第二章 新型血管支架的数字化建模 4

2.1支架几何结构和参数 5

2.2建模过程 6

第三章 新型血管支架有限元仿真分析 7

3.1支架径向回弹和轴向缩短性能分析 7

3.1.1血管支架力学性能有限元分析理论基础 7

3.1.2支架有限元仿真 7

3.1.2.1支架模型和材料特性 7

3.1.2.2球囊模型和材料特性 8

3.1.2.3球囊—支架有限元组合模型 8

3.1.2.4接触和边界条件 8

3.1.2.5加载和求解 9

3.1.3有限元仿真结果及分析 9

3.1.3.1膨胀模拟 9

3.1.3.2支架应力—应变结果 10

3.1.3.3仿真结果分析与讨论 11

3.2支架柔顺性能分析 14

3.2.1支架弯曲刚度的测量方法 14

3.2.2支架柔顺性的有限元仿真 15

3.2.2.1支架模型和材料特性 15

3.2.2.2边界条件 16

3.2.3有限元仿真结果及分析 16

第四章 支架结构的优化设计方案及仿真 17

4.1支架径向回弹和轴向缩短性能的优化设计及仿真 18

4.1.1支架长度对回弹性和缩短性的影响 18

4.1.1.1 支架参数设置 18

4.1.2筋的尺寸变化对回弹性和缩短性的影响 19

4.1.2.1支架参数设置 19

4.1.2.2结果与讨论 20

4.1.3支架连接杆形状对回弹性和缩短性的影响。 22

4.1.3.1支架参数设置 22

4.1.3.2结果与讨论 23

4.1.4 支架扩张直径不同对回弹性和缩短性的影响 23

4.1.4.1支架参数设置 23

4.1.4.2结果与讨论 24

4.1.5总结 24

4.2支架柔顺性的优化设计及仿真 25

4.2.1支架连接杆形状对柔顺性的影响 25

4.2.1.1支架参数设置 25

4.2.1.2结果与讨论 25

4.2.2筋的尺寸变化对柔顺性的影响 25

4.2.2.1 支架参数设定 25

4.2.2.2结果与讨论 26

第五章 总结与展望 28

5.1工作总结 28

5.2研究展望 29

致谢 30

参考文献 31

新型血管支架的数字化设计与结构力学仿真

第一章 绪论

本章对血管支架的研究背景进行了介绍，并简单阐述了支架的分类和性能要求；探讨了血管支架目前的研究进展，重点阐述了血管支架结构设计、支架材料和力学性能分析等方面内容；对本文的研究内容和目标进行了介绍，并对立题依据和选题意义进行了阐述。

1.1研究背景

随着人类物质文明的发展和生活水平的提高，健康问题日益突出，已经成为人们关注的热点。心血管疾病现在变得越来越普遍，尤其是冠心病，对人类的健康造成了极大的威胁。由美国心脏协会统计得出结论：每一年美国由于心血管疾病而死亡的人数占全国死亡人数的39%^[1]。目前，对心血管疾病的研究比较多，也总结出了几种治疗方法。其中有用药物进行治疗的方法，但存在着很大的副作用；也有通过外科手术治疗的方法，但是会对人体造成不可逆转的伤害；还有就是通过介入治疗。介入治疗因其创伤小、效果好，成为目前心血管狭窄的最广泛的治疗手段。

1.1.1血管狭窄的治疗方法

发展至今，治疗血管狭窄或闭塞的方法比较多，包括用药物进行治疗、用经皮冠状动脉腔内成形术进行治疗、用切割球囊术进行治疗、用高频斑块旋磨术进行治疗、用定向斑块旋切术进行治疗、用激光血管成型术进行治疗和用血管支架植入术进行治疗等^[2,3,4,5]，以下简要介绍各种治疗方法：

（1）经皮冠状动脉腔内成形术

经皮冠状动脉腔内成形术的简称是PTCA ，它采用的方法是在动脉上进行穿刺，然后把导管和球囊送到动脉内狭窄的部位，继而把球囊扩张，将狭窄部位撑开。虽然PTCA 的成功率较高，但在进行PTCA 手术后，有可能会出现血管的弹性回缩、接触的血管壁受到损伤等现象。

（2）切割球囊术

切割球囊术的原理比较简单，它在球囊上按照一定规律装上一些刀片。然后将球囊扩张这样球囊外表面的刀片可以把病变部位切开，球囊继续扩张，对血管壁进行挤压使血管直径扩大。

（3）高频斑块旋磨术

高频斑块旋磨术的磨头可以高速旋转，从而把病变血管内的斑块磨碎，使血管壁恢复到原来的状态，但它不能用于有弹性的、易扩张的病变。

（4）定向斑块旋切术

定向斑块旋切术和高频斑块旋磨术类似，它把病变血管内的斑块切除，在治疗含有血栓的动脉病变时很有用处。

（5）激光血管成型术

激光血管成型术直接采用激光，从而把血管内的斑块去除。激光成型术操作难度大，引发的后遗症比较多，所以不会经常被用到，只有在特殊的情况下被用。

（6）血管支架植入术

血管支架植入术是最近用的比较多的，它和PTCA有点类似。首先血管支架被压握到球囊表面，然后被输送到血管发生病变的地方，再把球囊扩张支撑起支架，最后将球囊卸压，撤出血管。支架由于变形后能够继续支撑住血管，直到血管恢复正常。

1.1.2血管支架的分类

目前支架的发展比较迅速，种类也很多，有不同的分类。可以根据支架的材料、支架用途、支架表面是否载药、支架的结构等进行分类^[6]。

根据支架材料的不同可以分为316L不锈钢支架、镍钛合金支架、铂钴合金支架、钴铬合金支架、生物可降解的镁合金支架和生物可降解的高分子聚合体支架等。

根据支架用途的不同可以分为冠状动脉支架、颈动脉支架、肾动脉支架、胆道支架、食道支架、尿道支架等。

根据支架表面是否载药可以分为金属裸支架和药物洗脱支架。

根据支架结构的不同可以分为网型支架、管型支架、环型支架等。

1.1.3血管支架的性能要求

（1）支撑性：支架被扩张后留在血管内继续支撑血管壁，此时支架的支撑性能很重要，一旦支撑不够，支架就会发生变形垮塌，会引发严重的后果。

（2）轴向缩短性：轴向缩短是指支架被扩张到释放后，在轴向上有一定的缩短。如果这个缩短量比较大，就会使支架定位不准确，影响后续的治疗效果，因此要求支架的轴向缩短率要小。

（3）径向回弹性：径向回弹指球囊扩张与卸载时支架内径的变化，它与支架的结构、材料以及血管壁的压力有关。径向回弹要尽量小，这样后续的治疗效果才好。

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