基于ABAQUS 的心血管支架有限元模型的结果有效性分析

·医疗器械·基于ABAQUS的心血管支架有限元模型的结果有效性分析

马竹樵，赵建平

（南京理工大学 紫金学院，江苏 南京 210046）

摘要：本文概括性的阐述了目前市面上主要存在的血管支架类型，并从中筛选出具有代表性的支架模型。在三

维设计软件CATIA中建模，结合实际安装支架过程中的步骤方法，依托ABAQUS分析软件，对某型号的血管支架植入人体过程进行准静态受力分析。结合固有的能量方程及一般性规律，对能量与时间的变化关系结果予以评估。关键词：心血管支架；有限元模型；ABAQUS

中图分类号：R714.252　　　　文献标识码：B　　　　DOI：10.19613/j.cnki.1671-3141.2019.17.219

本文引用格式：马竹樵,赵建平.基于ABAQUS的心血管支架有限元模型的结果有效性分析[J].世界最新医学信息文摘,2019,19(17):297-298.

0　引言

目前，想必很多人都曾或多或少的在生活中接触到“支架”这一名词。其常常伴随各类心脏疾病出现的特点，使得众人闻“支架”色变。本质上来说，支架只是一个体积小于指甲盖的金属框架，经由特殊手段输入人体后，撑开较为狭窄的血管段，保证血液的正常流通，避免脂质物质组成的粥样斑块堆积在血管内壁引发的阻塞[1]。

作为心血管介入手术中常用的医疗器械之一，支架随着其自身技术的不断革新有着多种分类方式。依据结构设计的不同，分为缠绕型支架、模块状支架、网状支架等；依据制造材质的不同，分为镍钛合金，钴铬合金或不锈钢支架等；依据输送进入人体方式的不同，分为球囊膨胀型支架与自膨胀型支架[2]。

本文选用以TINI合金为主材的模块状支架，其运送方法为球囊膨胀型。以此为例，其治疗过程如图1所示。

图2　球囊物理模型

图3　血管支架物理模型

为了使主体类S形模块与类正余弦连接模块在连接处光滑过渡，在两模块之间设置一段极短的过渡直线单元。类正余弦连接模块的曲线取X的五次多项式方程，函数如下所示：

图1　球囊膨胀型血管支架的治疗过程

由此可见，在治疗的过程中，当退出所有的导管后，动脉支架就留在了已经被扩张的动脉狭窄处。然而，受制于材料自身物理属性的问题，支架在血管中难免会产生由内部应力导致的回弹，其回弹程度的高低直接影响治疗效果的好坏[3]。

1　球囊膨胀型支架模型的建立

1.1　球囊膨胀型支架三维模型的建立。为了保证后期分析的顺利进行，文中利用与ABAQUS同属法国达索公司的CATIA三维建模软件建立相关模型。

1.1.1　球囊：球囊模型如下图2所示。球囊由圆柱体薄膜单元与两个半球体相结合而成，其中圆柱体截面半径长度与球体半径长度一致。其中，气囊的直径为1.2 mm，壁厚为0.02 mm，总长为10 mm，如图2所示。

1.1.2　血管支架：血管支架由类S形主体模块与类正余弦连接模块组合而成，具体模型如图3所示。

注：函数f(x)需要满足当X=0，p，t时，f(x)=0；同时，对于f(0)与f(t)的一次倒数均等于0。

1.1.3　血小板模型与血管模型：当血管内部积累了一定数量的血小板后，近似可认为血管壁的厚度相应的被加厚。血管的模型为一内径为3 mm，外径4.4 mm，长度为15 mm的圆柱体模型；当其内部积累了一定数量的血小板后，血管壁内部紧缩的物理曲线模型可使用如下方程表示：

t

x(-in2/inxp)

Dy=tb+(A-tb):sinr(L)

其中：L为血管壁的长度，A为壁厚，并有。

1.2　球囊膨胀型支架有限元模型的导入与网格划分：对于已经建立好的三维实体单元，在有限元分析软件ABAQUS中提供了两种不同的网格划分的算法，分别是中性轴算法与进阶算法。相较于更容易得到单元形状规则，但网格和种子位置吻合度较差的中性轴算法，进阶算法明显更适适用于本文

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设置外，其他均采用面与面之间的接触设置。

2.3　载荷。当球囊进入血管内部狭窄位置后，球囊获得充气。达到所定的压力临界值后泄气。整个进气到泄气的过程不超过0.06 s。为了能够精确的表达气囊充放气的三个阶段，文中将0.06 s分为三个阶段，分别对应为：0-0.02 s充气阶段，0.03-0.04 s保持阶段，0.05-0.06 s泄气阶段。峰顶载荷值为3.6 MPa。

的求解。其在边界上生成四边形网格后向局部区域扩展的方式，能够在狭窄的区域内，精确匹配每粒种子。从而更容易得到大小均匀的网格，并适用于从粗网格到细网格的过渡。1.2.1　球囊：在有限元分析软件ABAQUS中，存在显式动力学与隐式动力学的不同求解方法。此处采用，显式动力学缩减积分单元。网格尺寸设置为0.1 mm，材料模型设置为弹性模型。

1.2.2　血管支架：此处采用显式动力学缩减积分八节点单元，网格划分单元尺寸为0.02 mm。材料选取Ti-Ni形状记忆合金，密度为，导热系数，弹性模量66 Gpa。

1.2.3　血小板和血管：为了方便计算并提高评估时的计算精确度，血小板与血管模型均采用与血管支架相同的动力学缩减积分八节点单元。网格划分尺寸分别为0.4与0.5 mm。在ABAQUS中导入的装配体模型如图4所示。

3　模型求解与结果分析

3.1　模型的求解。ABAQUS EXPLICIT中稳定的时间增量与单元的特征长度成正比，与材料的膨胀速度成反比；同时，材料的膨胀速度与弹性模量的平方根成正比，与密度的平方根成反比。因此，采用质量系数放大的方式来加速问题的模拟，通过模拟测试，文中选用数值为1000的质量放大系数。

3.2　结果有效性评估。在ABAQUS EXPLICIT中，能量平衡方程：

是一种具有普遍意义评估是否产生了正确的准静态响应分析的方式。其中E1是内能(包括弹性和塑性应变能)，EV是黏性耗散吸收的能量，EKE是动能，EFD是摩擦耗散吸收的能量，EW是外力所做的功，ETOTAL是在系统中的总能量。

作为一般性规律，在大多数过程中，变形材料所产生的能量将不会超过其内能的百分之十五（普遍情况为5%-10%）。通过Abaqus后处理界面发现，变形材料产生的能量与内能的数值比为0.6/9.5。整体过程中，能量占比约为6%，符合一般情况，客观反映了分析的准确性[4]。

图4　导入的装配体模型

参考文献

[1]　李龙虎,金哲,王美兰,等.冠状动脉分叉病变的主动球囊保护技术:

球囊支架对吻术[J].中国介入心脏病学杂志,2014(3):181-184.[2]　曾伟杰,凌友,支晓兴.心血管支架材料生物力学及生物相容性特

征[J].中国组织工程研究与临床康复,2008(13): 2531-2534.[3]　梁栋科,杨大智.不同设计心血管支架的血流动力学分析[J].生

物医学工程学杂志,2006(6):1241-1244.

[4]　裴丽丽.生物医用TiNi形状记忆合金的制备及性能研究[D].沈阳:

东北大学,2008.

2　基于ABAQUS的前处理步骤

2.1　边界条件。在仿真分析软件ABAQUS中，将血管的两端做固定化处理，确保只在其内部产生沿血管内部轴线的径向位移，即同时约束血管中间面的轴向位移。

2.2　接触设置。在该设置阶段中，分别存在有血管支架内部类S形模块与类正余弦模块的接触，球囊与血管支架的接触，血管支架与血小板的接触等。除血管支架的内部接触采用tie

（上接第252页）营养支持操作。位的护理，有利于降低食管癌的复发率。同时也可有效的防止食管癌手术后相关并发症的发生。

3　讨论

通过对我院98例食管癌患者的术前术后分析，早发现、早诊断、早治疗，是提高食管癌患者生存率的关键，其术前术后的护理在治疗过程中的相当重要，对病患进行全程全方

参考文献

[1]　王卫杰,杨冉,张伟,等.食管癌同时伴有肺部病灶76例临床分

析[J].山东医药,2010,50(31):83-84.

[2]　庄婵音.食管癌术后并发症吻合口瘘的护理[J].实用医学杂

志,2000,16(1):.

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