支架植入手術(shù)中CAE仿真的應用

動脈粥樣硬化是一種常見的心血管疾病，患者的動脈會因斑塊積聚而變得十分狹窄。動脈粥樣硬化的一種常見治療方法是經(jīng)皮腔內(nèi)血管成形術(shù)，這種手術(shù)可以清除或抑制患者冠狀動脈中積聚的多余斑塊,在一些情況下醫(yī)生在進行治療時，會在阻塞的動脈中插入一個小小的金屬絲網(wǎng)狀管，即所謂的支架。

支架到達預定位置后，利用了血管成形術(shù)的球囊，將自身固定在動脈的堵塞部位，可以隨著球囊一起膨脹，從而卡住擴張部位。球囊放氣后取出，只留下支架支撐動脈。膨脹的支架發(fā)揮了類似于腳手架的功能，它有助于血管保持暢通，促進血液正常流動。如果支架端部的擴張程度超過中間段（這類易發(fā)生的缺陷被稱作 dogboning效應），動脈可能遭受嚴重的損傷。另一個潛在問題是前縮，它導致支架難以放置，而且可能損傷動脈。

為了順利進行手術(shù)，并盡量減少潛在的健康危害，支架設(shè)計必須經(jīng)過全面的研究和優(yōu)化，CAE仿真能夠有效幫助進行支架設(shè)計的評估工作。下面元王為大家介紹支架在手術(shù)過程仿真分析。

以某支架模型為例進行分析，支架的原始直徑為 0.74 mm，擴張后，中段的直徑為2 mm。此模型分析了管的內(nèi)表面受徑向向外的壓力后，致使不銹鋼支架膨脹而產(chǎn)生的應力和形變。（壓力表示球囊擴張。）因為支架幾何結(jié)構(gòu)具有對稱性，所以我們可以將模型的尺寸減小為原始幾何結(jié)果的1/24，從而最小化仿真的計算成本。

非線性結(jié)構(gòu)力學的分析結(jié)果

首先，我們觀察一下支架在手術(shù)過程中經(jīng)受的各種應力和應變。下方左圖顯示了球囊膨脹最大時支架中的應力分布，右圖為球囊放氣后支架中的殘余應力。不出所料，球囊放氣后，支架中的應力減少。

接著，分析在球囊膨脹過程中，dogboning效應（藍色）和前縮（綠色）產(chǎn)生的影響與壓力之間的關(guān)系。根據(jù)繪圖，我們能夠排查出支架設(shè)計中潛在的不利因素，并優(yōu)化其性能。

我們分析了當 dogboning效應最大時管內(nèi)的有效塑性應變。dogboning效應最大時的有效塑性應變和形變，峰值約為25％。至于回縮率參數(shù)，縱向回縮率約為-0.9％，遠端徑向回縮率約為0.4％，中心徑向回縮率約為0.7％。根據(jù)這些參數(shù)，我們可以詳細推測出膨脹的球囊被移除時支架的性能表現(xiàn)。

以上案例利用CAE仿真知識，醫(yī)療研究人員能夠有效改進支架的設(shè)計，并優(yōu)化其在生物醫(yī)學應用中的應用。除了外科手術(shù)過程中所需的醫(yī)療設(shè)備，有限元分析技術(shù)還在生物醫(yī)療其他領(lǐng)域廣泛應用，并為人們的生命健康提供更多幫助。元王作為國內(nèi)CAE技術(shù)應用領(lǐng)域的佼佼者，期待與更多優(yōu)秀企業(yè)合作，為醫(yī)療行業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持。