论文总字数：23142字

摘 要

近年来，心血管疾病在全球的发病概率越来越高，通过球囊扩张的血管支架手术已经成为治疗动脉血管狭窄的一种有效方法。它是将可以扩张的血管支架压缩在球囊上面，以此来使血管支架的截面变小，从而使支架可以顺利的传输以及通过动脉血管狭窄的部位。当血管支架达到动脉狭窄部位以后，通过球囊的膨胀而逐步展开，直到支架与病变位置处的直径相同。接下来球囊中的压力卸载，用来传输支架的系统从血管中撤离。此时，支架由于发生了塑形形变就留在了血管病变位置，使动脉管打开，保持血液的正常流通。由此可见，血管支架的扩张过程是整个血管支架术成功与否的关键。

本文的研究内容是采用Pro/E进行支架-血管-球囊-压握壳系统的三维建模，然后用ABAQUS有限元分析软件进行仿真分析。通过针对同一种几何参数的支架，分别设置不同的材料参数属性，采用Von mises屈服和各向同性强化准则来研究球囊压握以及扩张支架的整个过程。通过仿真的结果来分析不同材料制作的血管支架在支架扩张的过程中力学性能有什么不同；具体表现在支架的应力变化情况，不均匀膨胀率以及扩张结束后的径向回弹率和支架的轴向缩短率等。

研究结果表明，相比较金属支架而言，用PLLA材料做成的支架具有更好的均匀膨胀性、轴向缩短性以及柔顺性，但是在径向回弹性方面还有待改善。其中316L不锈钢支架的径向回弹率最好。基于本次研究的结果，可以为以后的支架在材料选择方面的设计提供有价值的帮助。

关键词：血管支架；材料；扩张；有限元；力学性能

Finite element analysis of balloon dilation

in different materials

02012320 Jingwei Li

Supervised by Jie Cheng

Abstract：

In recent years, the probability of the global caidiovascular disease is raising, the stent surgery expanded by ballon has become a effective method to treat arterial stenosis. It can compress the stent above the balloon, that can make the section of the stent become small. So that , the expended stent can be transported well and through the site of arterial stenosis. After the stent arrives the site of arterial stenosis, it can be expanded by the expansion of the balloon until the diameter of the stent as the same as the artery. Then the pressure of the balloon begans to relief,the transmission system withdraw from the artery. At this momentl, because of the plastic deformation, the stent stay in the vascular lesion location. Arterial tube open, it maintains normal blood circulation, Thus, the expansion process is the key to the entire stent vascular stenting success.

This study use Pro / E conducting stent - Vascular - balloon - grip pressure containment system 3D modeling and simulation analysis using the ABAQUS finite element analysis software. By the same bracket for the geometrical parameters, set different parameters of material properties using Von mises and isotropic hardening yield criteria to research balloon expandable stent and grip pressure throughout the process. Influence of different materials on the mechanical properties of stent expansion during stent simulation results; in particular in the case of stress stent, and after the end of the spring rate radial expansion and axial shortening rate.

The results showed that, compared with metal stents is concerned, PLLA stent has excellent uniform expansion of the axial shortening and flexibility, but in terms of the radial resilience to be improved radial spring rate which most 316L stainless steel stent it is good. Based on the results of this study, the stent may later provide useful help in the selection of design materials.

Key words: Vascular stent；Material；expand；finite element；mechanical property

目录

第一章、绪论 1

1.1背景 1

1.2血管内支架介入术的发展和现状 1

1.2.1血管内支架介入术起源 1

1.2.2 PTCA手术治疗术 1

1.2.3支架介入手术 2

1.2.4支架内再狭窄 3

1.3血管内支架的分类 4

1.4支架有限元研究工作叙述 5

1.5本文的研究意义及内容 6

1.5.1研究意义 6

1.5.2研究内容 7

第二章、支架模拟过程中有限元理论 9

2.1 支架使用过程中的力学特点 9

2.2 有限元分析方法要点 9

2.3 有限元非线性分析 10

2.3.1非线性的分类 10

2.3.2非线性刚度的数值解法 11

2.4本次研究用到的支架力学性能 12

2.5 Abaqus简介 13

第三章、支架-球囊模型的建立 14

3.1 几何模型 14

3.1.1 支架模型 14

3.1.2 压握壳-球囊-血管模型的建立 15

3.2 材料模型 16

3.3有限元模型 17

3.3.1支架网格划分 17

3.3.2球囊，压握壳的网格划分 18

3.3.3血管网格的划分 18

3.4边界条件以及接触设置 19

3.5载荷定义 19

3.6分析步骤 20

第四章、有限元分析结果 22

4.1支架材料对应力的影响 24

4.2对轴向缩短率的影响 26

4.3对径向回弹的影响 27

4.4对不均匀膨胀率的影响 27

4.5 支架扩张过程中对血管壁的影响 28

小结 28

第五章、结论 30

研究小结： 300

未来展望： 30

参考文献 31

第一章、绪论

1.1背景

当今社会越来越发达，人们的生活条件也越来越好。然而，这也导致了全球越来越多的人患上了心血管疾病。根据世界卫生组织的调查结果显示，全球每年死于心血管疾病的人数非常之多。有关专家预测，到2025年，全球的心血管疾病死亡人数将达到2000万人，其中我国的患病人数约占其中的六分之一。由此可知，心血管病的器械治疗以及药物治疗已经成为专家们最热门的研究项目。血管支架作为一种治疗血管疾病的医疗工具，在治疗血管阻塞和血管狭窄两方面，具有不少优点。例如手术后创伤面积小、病人的康复之间快等。在近几年来血管支架手术已经有了不错的发展，并且得到了大家的一致好评。其中支架的扩张过程是血管支架植入手术的成功与否的关键。

1.2血管内支架介入术的发展和现状

1.2.1血管内支架介入术起源

1929年，一位名叫Forssmann的医生在其同行的帮助下，成功的将一根医用导管插入到了自己的左手静脉并且送进右心房，完成了人类历史上首例导入皮管检查术^[1]。1941年Cournand和Richaids等进行了血液动力学的研究^[2]。1953年，Seldinger最开始创立了血管穿刺手术^[3]。这项技术，时至今日一直都在沿用。1959年，Sonees在一次手术中，发明了冠状动脉的介入手术。1964年，Dotter无意的完成了世界上首次经皮外周动脉成形术，由此打开了现代临床血管介入治疗学的大门^[4]。

1977年，德国的心脏病专家Gruentaig^[5]通过对患者进行局部麻醉，然后经过股动脉进行穿刺手术，放入自己设计的球囊扩张导管，成功的去除了患者病变部位的斑块。自此，PTCA（Percutaneous transluminal coronary angioplasty）手术逐渐成为术治疗心血管病的一种有效方法。

1.2.2 PTCA手术治疗术

PTCA（球囊成型术）手术的具体过程如图1-1：首先患病者需要经过局部麻醉，医生通过皮下穿刺手术将导管顺着动脉血管送入到病变位置；然后从体外输入造影剂，对血管进行显影，从而能够有效的确定病变的位置（a）；接下来将球囊沿着导管送入到病变的位置（b），对球囊进行不断地加压，让它慢慢膨胀变大（c），从而对斑块进行挤压，使斑块撕裂或者脱落，达到疏通血管的目的，恢复血液的正常流动。

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