受支架支撑的血管管壁变形及应力分析

摘要：为了计算动脉粥样硬化和局部斑块形成的堵塞对血管壁工作状态的影响,本文根据血液流动的连续性方程、运动方程及管壁运动方程,在给定了血压波形函数的基础上,求得了狭窄血管管壁的径向位移及环向应力。分析了不同狭窄程度对血管壁变形及应力的影响;给出了不同狭窄情况下及局部斑块硬化程度不同时,血管植入支架所需的作用力。从而计算出了植入支架后血管壁的径向位移及应力状态。本文的研究结果可供临床上对狭窄血管植入支架后的变形与受力分析,和支架的正确安放参考,可避免发生堵塞严重或血管过渡硬化时,由于安放支架不当而使发生血管破裂的医疗事故。     

生物力学的进展

本文对上海地区近年来的生物力学发展情况做简单的回顾,这包括动脉顺应性的确定、血液流过弯曲狭窄管的分析、心室与血管的耦合、可塌陷管流动、人工心瓣的力学基础、骨力学以及运动生物力学等。     

OPTIMIZATION DESIGN OF DEGRADABLE POLYMER VASCULAR STENT STRUCTURE

聚合物血管支架由于材料刚度较低导致其径向支撑能力相对于金属血管支架较弱,通常采用增大支架筋宽和厚度的方式来提高其径向支撑能力,但这不仅会降低支架的柔顺性能,减小血管管腔获得面积,还会增大表面覆盖率,从而增大支架内再狭窄的风险.为了设计出具有较小筋宽和厚度的聚合物血管支架,提高其径向支撑能力,本文采用一种将Kriging代理模型和有限元方法相结合的优化方法来优化支架的结构.采用Kriging代理模型建立设计目标和设计变量之间近似的函数关系,采用优化拉丁超立方抽样方法选取初始样本点,采用EI函数平衡局部和全局搜索,以便获得全局最优解.选取ART18Z聚合物支架作为算例,首先将支架的筋宽和厚度各减小0.02 mm,然后采用优化方法优化ART18Z支架的几何结构参数.数值结果表明,优化后ART18Z支架的综合服役性能得到改善,文中提出的优化方法能有效地应用于聚合物血管支架的优化设计.     

可降解聚合物血管支架结构优化设计

聚合物血管支架由于材料刚度较低导致其径向支撑能力相对于金属血管支架较弱,通常采用增大支架筋宽和厚度的方式来提高其径向支撑能力,但这不仅会降低支架的柔顺性能,减小血管管腔获得面积,还会增大表面覆盖率,从而增大支架内再狭窄的风险.为了设计出具有较小筋宽和厚度的聚合物血管支架,提高其径向支撑能力,本文采用一种将Kriging代理模型和有限元方法相结合的优化方法来优化支架的结构.采用Kriging代理模型建立设计目标和设计变量之间近似的函数关系,采用优化拉丁超立方抽样方法选取初始样本点,采用EI函数平衡局部和全局搜索,以便获得全局最优解.选取ART18Z聚合物支架作为算例,首先将支架的筋宽和厚度各减小0.02 mm,然后采用优化方法优化ART18Z支架的几何结构参数.数值结果表明,优化后ART18Z支架的综合服役性能得到改善,文中提出的优化方法能有效地应用于聚合物血管支架的优化设计.     

血管修剪

就像园林中的树木修剪一样,血管树在成长过程中也有类似“血管修剪”的现象。这一现象背后蕴含着生物力学机理。本文介绍了“血管修剪”现象的含义、生物力学机制及其生理学意义,启发读者思考血管生长中的奇妙现象和科学道理。     

4D打印负泊松比聚乳酸心脏支架的体外性能研究

冠心病等心血管疾病的发病率逐年提高,血管支架使用率大幅提升．聚乳酸等形状记忆聚合物生物相容性较好、具有一定生物降解特性,可以用于制备新型心脏支架．心脏支架需要收缩时体积尽可能小,且膨胀时足以撑开堵塞的血管,因此需要具有负泊松比特性.本文基于聚乳酸的力学和形状记忆性能,设计了不同截面胞数的凹六边形负泊松比心脏支架模型,使用4D打印熔融沉积成型技术对其制备,并对血管支架模型的力学性能、形状记忆性能及血管支撑性能等进行测试,分析了支架的不同构型对支架体外性能的影响．同时,进行了有限元数值模拟,弹性模量和泊松比计算结果与实验相吻合．本文提出的模型对于通过4D打印的方式构建在临床上可用的新型血管支架具有重要参考价值．     

心脏与血管的相互影响

心脏与血管的相互影响早就引起生理学家们的兴趣，但其在临床医学上的广泛应用则是近几年的事．这主要归功于两大生物力学成就，一是应甩泵功能曲线和时变弹性元描述心脏功能，另一是应用输入阻抗来描述血管功能．本文系统地总结和评述了２０多年来国际上关于心脏与血管相互影响的研究发展概况．     

冠状动脉支架力学性能的理论和实验研究

冠状动脉支架必须具备的力学性能为:传送时的纵向柔软性,由球囊充压扩张时的动力大变形性能,在血管内支撑血管回缩压力的抗屈曲性能,以及术后金属支架留存在血管内的抗疲劳性能.本文内容分两部分:1、综述和评论支架的上述四种力学性能,2、重点论述金属支架纵向柔软性的最新研究结果.支架的结构刚度有离散性,介入治疗的要求和受力情况复杂,目前支架的力学性能质量标准尚未完善建立,支架结构设计中力学问题的处理仍存在盲目性.本文对于制定支架力学性能的质量标准以及改进和提高支架网架结构的力学性能设计都具有重要意义.     

血管内支架扩张行为的有限元分析

用非线性有限元技术模拟了球囊胀开式血管内支架在内表面压力作用下的自由扩张过程.计算了不锈钢支架扩张过程的径向位移、轴向位移和非线性回复量,结果表明支架变形后的径向位移量随载荷压力增大而增加,最大应力值随之升高.本文的模拟方法为血管内支架的优化设计及性能评估提供了科学的依据.     

窦部对称狭窄对颈动脉内流场影响的数值研究

以颈动脉分岔血管为例，采用数值方法研究了窦部环缩狭窄之后的流场分布情况，并和正 常血管情况下的流场分布进行了比较. 结果表明，采用环缩方式给颈动脉分岔血管施加对称 的狭窄改变了颈动脉窦内流场，特别是壁面剪应力的分布规律. 低剪应力区出现在狭窄段之 后的窦内，并且沿整个周向均匀分布. 根据低剪应力和动脉粥样硬化的关系，指出： 若人为地给颈动脉窦内施加对称狭窄，则脂质沉积将在狭窄下游的窦内沿周向轴对称 发展. 为了更真实地反映颈动脉窦内的狭窄，建议根据动脉血管中的实际狭窄情况，采用非 对称的狭窄分布模式.     

弯曲狭窄管内血液流的分析

与血管狭窄有关的异常血液动力学特征在血管疾病的发生和发展过程中起着重要的作用,由于血管狭窄和弯曲的综合影响,将会出现一系列有趣的流体力学现象,本文研究具有对称狭窄的弯曲小动脉内定常血液流动,在一定的假设条件下,直接从支配血液流动的Navier-Stokes方程求出问题的摄动解,由此求得弯曲狭窄管內血液流动的轴向速度、二次流速度及压力梯度等分析表达式,并进一步求得轴向和周向血管壁切应力。本文的结果是先前有关狭窄直管和弯曲均匀管流动研究的拓广。     

支架移植物作用下的主动脉管壁的三维光弹性试验应力分析

随着人们生活水平的提高,心血管疾病的发病率逐年升高,已成为危害人类生命健康的主要威胁之一.支架术因其创伤小、效果好,在心血管病的治疗中有着广泛的应用.支架植入血管后要与血管壁直接作用,好的支架要求对血管壁的损伤小.目前对支架的研究以有限元方法为主,缺乏有效的试验手段.光弹性法是一种可以直接分析物体内部应力的可靠的试验方法,本文中将光弹性法应用到血管壁受支架作用的应力分析中,根据实际血管尺寸设计了血管模型,并根据血管研制了低弹性模量的光弹材料,采用实际临床操作进行加载,在关键的位置进行切片应力分析,较好的模拟了血管壁受支架作用的应力分布情况.     

BLOOD FLOW IN THE CIRCULATORY SYSTEM1)

从"三十年河东三十年河西"这样的现象联想到人体循环系统中的血液流动。针对动脉粥样硬化、动脉瘤、主动脉夹层等常见的动脉血管病变,介绍了这些血管病变及其治疗方法中蕴含的生物力学机理,提示人们关注循环系统的健康。     

“三十年河东三十年河西”与循环系统中的血液流动

从"三十年河东三十年河西"这样的现象联想到人体循环系统中的血液流动。针对动脉粥样硬化、动脉瘤、主动脉夹层等常见的动脉血管病变,介绍了这些血管病变及其治疗方法中蕴含的生物力学机理,提示人们关注循环系统的健康。     

分叉血管中动脉狭窄对血液流动的影响

利用血液流动的粘性不可压Navier-Stokes方程，采用有限元方法研究了分叉血管中动脉局部狭窄对血液流动的影响，分别对母血管壁有动脉狭窄病变和无病变时的血液流动进行了数值模拟。针对不同程度的动脉狭窄，得到了当狭窄度S分别为0.05、0.25、0.5时血液流动的流线图和压力图。一方面，从计算的压力图中可以看出当血液流经狭窄区域时，压力会迅速发生变化；另一方面，观察流线图可知，在血液流经狭窄的区域时会出现流动分离现象，产生涡的结构。根据上述结果，可以看出动脉局部狭窄会对血液流动产生很大的影响。动脉粥样硬化等某些血管疾病的发病机制和病变发展与血液流动的力学特征有密切关系。在动脉局部狭窄的初期，动脉狭窄邻近区域的血液几乎光滑地流过狭窄区，流动产生的分离小；随着狭窄区域半径的逐渐增大，血流流动产生比较明显的分离，在分离区内存在层流和回流；而当狭窄区域的半径进一步增大时，血管内血流流动分离区域扩大，而且在分离区内的血液流动会出现局部湍流。这种情况可能会使血液中的血小板、纤维蛋白、脂肪颗粒沉积，最终导致血流不畅或动脉粥样硬化等血管疾病。     

生物力学未来研究的需要(Ⅱ)

3.1 引言——呼吸生物力学的范围呼吸为每个活细胞供应氧气并排除CO_2。它是一种遵循力学定律的质量输送现象。心、肺、血管的功能,是来回地给身体细胞输入和输出气体和水。每个细胞的生存都要依靠呼吸。因此,呼吸器,肺的健康和疾病,细胞的呼吸,细胞的健康,细胞对气体和水流量变化的反应,细胞的与生化和应力场有关的生长和变化,都是呼吸生物力学的研究对象。呼吸生物力学的范围列于表1。      

血管支架撑开均匀性问题的随机模型研究

撑开均匀性是血管支架的一个重要力学性能,它对于筋的安全性有极大的影响作用.论文研究支架筋的宽度对于撑开均匀性影响规律.建立了基于串联模型的撑开均匀性力学模型;给出了激光切割过程中微管中心偏移量对于筋宽度的影响关系;建立了撑开均匀性随机分析的方法.论文组织了两个算例,详细说明了对该方法的应用,实现了激光偏心距发生随机变化时,对于血管支架撑开性能的随机分析.     

血管里的“罗宾汉效应”

血液循环系统里有一种类似于经济学术语"罗宾汉效应"的"劫富济贫"或者"劫贫济富"的现象——"盗血"综合征。盗血现象背后蕴含着科学的生物力学机理。本文介绍了盗血现象的确切含义及其生物力学机理,可以启发读者从生物力学的角度来解释医学问题中的科学道理。     

消息与动态(十八)

血液在轴对称狭窄直圆管内的流动在动脉系内,由于血管内皮细胞的异常增生造成动脉狭窄,这是许多研究人员重视的问题。动脉狭窄和血液流动间存在耦合作用,许多学者在进行病理研究同时,对狭窄区血液流场进行理论分析,探索动脉狭窄的血液动力学依据。因问题的复杂性,绝大多数所研究的力学模型是轴对称狭窄直圆柱刚性管内牛顿流体的流动。     

消息与动态

血液在轴对称狭窄直圆管内的流动在动脉系内,由于血管内皮细胞的异常增生造成动脉狭窄,这是许多研究人员重视的问题。动脉狭窄和血液流动间存在耦合作用,许多学者在进行病理研究同时,对狭窄区血液流场进行理论分析,探索动脉狭窄的血液动力学依据。因问题的复杂性,绝大多数所研究的力学模型是轴对称狭窄直圆柱刚性管内牛顿流体的流动。