心血管支架生物力学性能评估的数值研究

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心血管疾病严重威胁着人类健康,其发生的主要原因是动脉血管出现粥样硬化。作为治疗动脉粥样硬化的常用手段,血管支架植入术虽然具有疗效快和术后并发症少等优点,但血管支架植入后易发生支架内再狭窄。支架内再狭窄的发生不仅和植入支架的结构有关,也和支架植入后血管内生物力学微环境的变化密切相关。本文基于有限元和计算流体力学数值分析方法,研究了不同斑块形态和组分对血管支架植入后支架-斑块-血管间相互作用的效应,同时从固体力学和流体力学两个角度,分析了血管支架植入后支架的生物力学性能和血管内力学环境的变化,并基于病人个体化冠脉血管模型,探讨了支架贴壁不良造成的血管内力学环境的变化情况。主要研究内容如下:首先,建立了5种不同偏心率和4种不同组分的理想斑块模型,通过有限元分析方法分别进行了支架-斑块-血管相互作用的仿真分析,比较了不同偏心率和不同组分的斑块对支架径向回缩、支架塑性应变、支架轴向缩短以及血管和斑块上应力分布的影响。结果表明,支架植入过程中,由于纤维帽或钙化区的存在,偏心率较大和成分较复杂的斑块具有易损性。偏心率较大的模型中,支架径向回缩和轴向缩短也较大,应缓慢施加较大的扩张压力和使用略长的血管支架。然后,基于理想斑块模型,对6种不同的支架模型(包含3种商业结构支架和3种改进的商业支架),分别进行球囊-支架-斑块-血管相互作用的结构分析,然后基于变形后的支架、斑块和血管求解流体域进行计算流体力学分析,综合固体和流体力学分析,评估了6种支架的性能。结果表明,与Cypher和Xience Prime形状的支架相比,Palmaz-Schatz形状的支架在两方面均表现出较好的性能。尤其是,与Cypher形状的支架相比,改进的C-Rcrown支架的性能更好,这说明可以通过调整支连接环上冠的数目来提高Cypher形状支架的性能。最后,不同于上述理想斑块模型,基于光学相干断层扫描和血管造影图像数据重建病人个体化冠脉斑块模型,进行有限元分析,模拟冠脉支架植入术,分别施加不同的球囊扩张压力,得到完全贴壁和贴壁不良两种情况下的支架和血管模型。然后基于变形后的支架和血管建立流体力学模型,进行计算流体力学分析,比较两种情况下血流动力学参数的差异,研究支架贴壁不良对血流动力学环境的影响。结果显示,支架贴壁不良导致血流速度大于完全贴壁模型。与完全贴壁模型相比,贴壁不良模型的低壁面剪切应力(小于0.5Pa)区域的面积百分比更小,其高震荡剪切指数(大于0.1)和高壁面剪切应力梯度(大于5000Pa/m)区域的面积百分比较大,但在后两方面的差异较小。本文建立了不同形态和组分的斑块模型,从斑块的角度详细探讨了斑块形态和组分的差异对支架性能的影响,同时比较和分析了弯曲血管模型中6种不同支架的性能差异,进一步基于图像重建病人个体化冠脉斑块模型,研究病人个体化模型中支架贴壁不良对血流动力学环境的影响,对血管支架植入仿真分析具有一定的指导意义,有助于根据患者特异性情况选择合适的商业支架构型,并指导支架结构设计。
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