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球囊冠脈支架介入過程的CAE分析

發布于:2024-04-23 18:50
CAE分析

      冠脈支架的介入過程依次經歷壓握收縮→壓握卸載→球囊擴張→球囊卸載等4個階段,因此,支架介入系統的計算模型主要由壓縮殼、球囊、支架和冠脈血管組成。根據血管組織結構所呈現的生物力學特性,將血管劃分為內膜、中膜和外膜3層組織結構,利用線性減縮積分單元C3D8R劃分彎曲冠脈結構,在每層組織的厚度方向劃分2個單元用于抑制冠脈與支架的接觸穿透。將壓握工具和球囊簡化為剛性圓柱殼,通過線性減縮積分單元S4R離散上述結構。由于冠脈支架的支撐體決定了結構的徑向支撐特性,而聯接筋決定了結構對于彎曲血管的柔順性,因此,建立了3種聯接筋結構形式的冠脈支架幾何模型,利用線性減縮積分單元C3D8R離散上述冠脈支架結構,沿厚度方向布置4個單元控制結構沙漏模式的傳播,由此通過上述3種支架結構所建立的支架介入系統力學模型來CAE分析支架結構形式對血管支架內再狹窄的影響。
      基于唯像彈性理論,忽略血管材料的蠕變、松弛和遲滯效應,將血管本構關系簡化為柯西彈性模型。因此,存在一個具有框架不變性的標量勢函數-應變能密度函數W(λ1,λ2,λ3,J),用于描述各向同性可壓縮材料的本構關系,Ogden等提出了一種多項式形式的應變能密度函數W=∑Ni=1μiαiJ-αi3λαi1+λαi2+λαi()3[-3]+∑Mi=11Dj(J-1)2j(1)  
      其中,αi、μi、Dj為材料固有的彈性參數,λ1、λ2、λ3為材料在3個主方向上的伸長率,J為材料的體積膨脹率。鑒于Kirchhoff應力與Eulerian應變的功共軛性,Kirchhoff應力與Cauchy應力的轉化關系,則Cauchy應力的主分量σi可表示為:
      Jσi=λiWλi 。椋剑,2,3
    由此,式即為冠脈血管的超彈性本構方程,通過擬合冠脈血管(內膜、中膜和外膜)的單軸拉伸實驗數據(如圖所示),獲得血管本構模型的力學特性參數!
      此外,將壓握殼和球囊簡化為經典線彈性本構模型,冠脈支架則簡化為基于各項同向塑性強化的VonMises-Hill彈塑性本構模型。其中,對于冠脈與支架的材料、幾何大變形問題,通過大變形增量客觀性積分算法來求解血管材料的超彈性本構模型,并利用基于J2塑性流動律的徑向積分返回算法更新冠脈支架的應力狀態。
      冠脈支架右端中間節點的軸向自由度和左端中間節點的周向自由度,施加冠脈支架與壓縮殼、球囊、冠脈血管之間的接觸作用來約束支架的徑向自由度。固定冠脈血管兩端節點的徑向、周向和軸向自由度,約束壓縮殼和球囊左端的周向自由度,抑制壓縮殼和球囊右端的軸向自由度。此外,根據冠脈支架介入系統植入過程的力學行為,首先通過壓握殼的徑向收縮將冠脈支架壓握到球囊表面,然后失效壓握殼與支架的接觸作用釋放壓握殼的徑向約束;再利用球囊的徑向擴張將冠脈支架膨脹至公稱尺寸撐開冠脈血管,最后失效球囊與冠脈支架的接觸作用釋放球囊的徑向約束。


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