网络首发时间: 2017-05-10 14:49
稀有金属 2018,42(08),814-819 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17030034
膨出式TiNi合金血管支架支撑性能的有限元分析
陈周煜 李君涛 马连彩 董永贺 崔跃
北京有色金属研究总院有研医疗器械(北京)有限公司
摘 要：
通过改变支架环的几何参数, 提出膨出式Ti Ni合金血管支架的设计理念, 用于隔绝因主动脉夹层远端破口血液返流造成的假腔持续灌注, 加快假腔血栓化进程。利用Solidworks软件设计膨出式支架环模型, 利用ABAQUS有限元软件, 结合正交实验分组探究不同几何参数对膨出式支架支撑性能的影响, 并结合支架径向支撑力实验对比分析, 验证有限元分析的合理性。结果表明:膨出段支架合理的参数选择是提高支架膨出段支撑性能的重要途径, 增加支架丝径与膨出段支架环个数, 可以提高膨出段支架的支撑性能, 而增加膨出段长度则会使支撑性能降低;丝径、膨出段长度、膨出度、支架环个数对支撑性能的影响程度依次减弱;通过优化几何参数提高支架径向支撑性能时, 应控制其设计径向支撑力不能超过夹层内膜可承受的生理极限;样品径向支撑力的实验结果与模拟结果吻合度较好, 验证了有限元分析的合理性。
关键词：
膨出式支架;主动脉夹层;支撑性能;径向支撑力;有限元分析;
中图分类号： R318.08;TG146.23
作者简介：陈周煜 (1991-) , 男, 福建南平人, 硕士研究生, 研究方向:TiNi合金血管支架;E-mail:ustb_stuchen@hotmail.com;;*李君涛, 教授级高级工程师;电话:13681313309;E-mail:ljt@grimed.com.cn;
收稿日期：2017-03-19
基金：北京市科委计划项目 (Z161100000116010) 资助;
Supporting Behavior of Bulge-Style Ti Ni Alloy Vascular Stents Based on Finite Element Analysis
Chen Zhouyu Li Juntao Ma Liancai Dong Yonghe Cui Yue
GRIMED Medical (Beijing) Co., Ltd., General Research Institute for Nonferrous Metals
Abstract：
By changing geometric parameters, a design of bulge-type stent was established to be used to isolate the continuous perfusion in the false lumen caused by the blood flow from distal tear of the aortic dissection. And the ultimate effect was to promote the process of thrombosis. The orthogonal experiment group, combining Solidworks and ABAQUS software, was designed to study the influence of the geometric parameters on its' supporting performance. The simulation was compared with the experimental results. The comparison results indicated that, the suitable parameter was the key to improve supporting performance of the stents. It would be optimized by increasing the wire diameter, increasing arrangement of stents and reducing the bulge part's length. The wire diameter and the bulge part's length had more remarkable influence on supporting performance than the bulge degree of the stents and arrangement of stents. It should also be noted that radial support force of the stents should be limited under the intimal flap's physiological limit. Experimental result of radial supporting force was consistent with the simulation, demonstrating the rationality of finite element analysis.
Keyword：
bulge-type stent; aortic dissection; supporting performance; radial supporting force; finite element analysis;
Received： 2017-03-19
Ti Ni合金血管支架因其良好的超弹性与生物相容性, 已在临床得到大量应用, 特别是在大动脉及外周动脉等部位[1]。我国主动脉疾病以主动脉夹层病变为主, 对于破口位于降主动脉的Stanford B型主动脉夹层, 常以微创介入治疗 (Thoracic Endovascular aortic repair, TEVAR) 为主[2]。虽然TE-VAR能降低假腔压力, 促进假腔血栓化进程, 但针对慢性夹层病例的血管重塑存在一定的局限。这种局限性多由远端未封堵破口存在持续逆行的假腔返流灌注造成的[3]。这种持续的灌注充盈导致35%的慢性夹层患者TEVAR术后远期发生主动脉假腔扩张, 并由于假腔的持续灌注使得主动脉重塑困难、假腔扩大, 最终导致夹层破裂死亡[4]。
为了更快地促进假腔血栓化进程, 有研究者曾选用扩张率较大的支架, 人为顶破夹层内膜至假腔中, 以达到阻断效果[5]。本文所提出的一种膨出式支架是在直筒或锥度支架基础上, 改变支架环形状参数形成的新型支架结构, 支架中部突出形成一定膨出度而不顶破夹层内膜 (如图1) 。本研究通过控制支架环参数与膨出度, 利用有限元分析方法, 研究支架的支撑性能, 为该支架的研发改进提供理论指导。
1 实验
1.1 材料与设备
本研究中支架材料为Ti Ni合金, 合金力学性能参数如文献[6], 提取相关参数做为有限元模拟的材料属性。样品径向支撑力测试采用专用径向支撑力仪 (如图2) 进行测量, 以获得支架样品实际的径向支撑力大小, 验证有限元模拟的有效性。
1.1.1 几何参数
图1 膨出式支架效果图Fig.1 Solidworks model of bulge-style stent's skeleton
图2 径向支撑力仪Fig.2 Radial compression testing machine
膨出式支架支架环模型采用Solidworks 2014绘制, 选择不同支架环参数探究对支架支撑力的影响, 主要包括:丝径、膨出段支架环个数、膨出段长度、膨出度4个因素, 主体支架尺寸为Φ28 mm, 支架环高度均为15 mm, 5花冠型支架环。采用正交实验法分组设计, 分组情况如表1所示。
1.1.2 网格与约束条件
本模拟采用ABAQUS6.13-4软件, 软件中采用C3D10单元进行网格划分, 在保证计算精度前提下, 可将除折弯部分以外的支架筋单元网格放大处理 (如图3) 。支架在人体中主要与血管壁相接触, 血管壁可近似简化成圆柱筒状, 通过添加支架环外圆柱筒状模型来模拟血管的径向收缩过程, 采用柱坐标位移控制方法, 设置支架环中心轴向为Z轴, 在圆柱筒径向施加15%位移载荷。支架环与血管模型均为旋转对称结构, 因此可选取支架环的1/5旋转单元进行建模。支架环对称面上设置旋转对称条件, 并在支架环上取一点固定其除了径向以外的所有自由度 (U2=U3=0, UR1=UR2=UR3=0) , 以保证支架在受力过程中不会发生刚体位移与转动。为保证收敛同时打开几何非线性开关。
表1 正交实验分组表Table 1 Orthogonal experimental design and result of stents 下载原图
表1 正交实验分组表Table 1 Orthogonal experimental design and result of stents
图3 支架网格划分图Fig.3 Finite element model of bulge-style stent
2 结果与讨论
2.1 最大Mises应力分布
随着样品形状参数的变化, 最大应力产生位置均发生在支架折弯内角处 (图4) , 与文献报道[7-10]相吻合, 表明膨出段支架的服役性能与直筒型或锥度支架接近。在本研究范围内, 相同压缩量情况下, 膨出段的支架环最大Mises应力整体上呈现稳步变化。
研究表明[11], Ti Ni合金在循环载荷作用下形状记忆效应和超弹性会发生退化, 而折弯内角在循环应力下始终处于压应力与压应变状态, 因此在支架环受力过程中该处的应力状态最为恶劣。有学者提出该处断裂是因为材料在压应力与压应变共同作用下产生微裂纹[12], 同时有研究表明[13], 循环应力作用会使Ti Ni合金的应力应变响应产生变化, 进而产生疲劳断裂, 本研究认为, 在循环应力下, 折弯内角应变与应力相对较大, 极易发生塑性变形, 一旦内圆角形变响应与交变应力频率不匹配, 塑性应变区产生应力疲劳, 此时易在该处萌生裂纹源并扩展, 最终可能产生支架环断裂失效的不良后果。
图4 膨出支架环最大Mises应力分布情况Fig.4Location of Max Von Mises stress of bulge-style part of stent
2.2 极差分析
对以上的正交实验结果进行分析, 分别计算支架丝径、支架环个数、膨出段长度、膨出度的平均实验指标K值与极差R值, 如表2所示。
由计算可知, 极差值中R (丝径) >R (膨出段长度) >R (膨出度) >R (支架环个数) , 表明对于膨出段的支撑性能, 4个因素中的影响由大至小依次为丝径、膨出段长度、膨出度、支架环个数。
各因素的实验指标K值大小反映了实验参数对实验指标影响的程度。丝径的平均实验指标K1<K2<K3<K4, 表明丝径越大, 支撑反力越大, 相对地支撑性能就越好;同理可获得平均实验指标分布中支架环个数 (K1<K2<K3) 、膨出段长度 (K4<K3<K2<K1) 以及膨出度 (K2<K4<K1<K3) 。由各指标分布可知, 支架环个数与膨出段支架的支撑性能呈正相关, 膨出段长度与膨出段支架的支撑性能呈负相关;膨出度的实验指标分布表明, 支架膨出度为8 mm时其支撑性能为较好水平。
2.3 径向支撑力计算与实验比较
支架 (环) 的径向支撑力是衡量支架性能的一个重要指标, 合适的径向支撑力有助于主动脉的通路重建与疾病的中远期恢复, 过大的径向支撑力对会主动脉内壁带来新的伤害[14], 过小的径向支撑力将产生支架移位[15]。本研究将从模拟结果与样品实测, 对膨出式支架的径向支撑性能进行分析与比较。
表2 各因素的K值与R值Table 2 Result of K and R 下载原图
表2 各因素的K值与R值Table 2 Result of K and R
应力状态分析可知折弯内圆角为压应力集中区, 外圆角为拉应力集中区。为研究支架折弯处的内应力状态, 将支架环沿纵轴与折弯中心剖开, 暴露出两个折弯中心的截面 (图5) 。根据静力平衡可知, 折弯平面合力应为压应力。由折弯中心平面的应力分布云图 (图6) 可知, 应力在拉压区垂直线上呈对称分布。对应力进行等效计算, 得到该平面上所受合力值大小, 又因支架环为旋转对称结构, 因此每一个折弯中心平面所受合力值应相等, 方向均为压应力。模拟结果得到的径向支撑反力如图7所示。研究表明[16], 当主动脉发生夹层病变时, 其血管壁的力学性能将会发生明显变化, 在夹层患者中的血管壁所承受的破裂应力值为1.719 N·mm-1 (如图中红色虚线) , 而实验组中12号实验组的径向支撑力大于极限值, 表明该支架的设计参数会对夹层病变带来不利影响, 其他实验组径向支撑力均小于极限值, 从中远期疗效来看其设计是相对安全的。
图5 支架环模型切除操作和切除后暴露出的截面示意图Fig.5 Diagram of stent graft model with section cutting plane (a) and cross section (b)
图6 折弯中心平面应力分布图Fig.6 Stress contour of bending plane
图7 支架样品和直径—径向支撑力曲线Fig.7 Stent sample (a) and diameter-curve (b)
制作膨出式支架样品, 通过径向支撑力仪对膨出段支架进行径向支撑力测试, 获得实际膨出段支架的径向支撑力值 (图7) , 并与模拟结果进行比较 (图8) , 由图8中可知, 模拟结果与检测力值吻合度较好;但图8中检测落点大多在模拟落点下方, 本研究认为原因可能是检测样品支架环单体连接方式为弹簧连接, 连接部件依靠丝材的摩擦传递作用力, 其受力情况与模拟条件仍存在一定的不同, 压缩过程中存在一定的转动。
图8 模拟膨出段单位长度径向支撑力Fig.8 Radial force of stent by numerical simulation
3 结论
膨出式支架的设计是为了更好地促进夹层假腔血栓化进程。但在夹层脉动条件下需要对支架的支撑性能提出更加复杂的要求。综合以上的模拟结果与实验分析可知:
1.膨出段支撑性能影响因素中, 影响程度由大至小依次为丝径、膨出段长度、膨出度、支架环个数。
2.增加丝径、降低膨出段长度、增加支架环个数可以提高膨出式支架的支撑性能;设计支架参数同时需考虑其径向支撑反力不能超过夹层内膜的强度极限与支架可压缩体积的大小。
3.有限元模拟结果与支架环径向支撑力测试结果吻合较好, 表明模拟结果能够较为准确地判断支架设计的合理性, 利用有限元方法能够有效减少新型支架的研发周期与成本。
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