有限元技術在心動脈支架設計中的應用

上?？档氯R企業(yè)發(fā)展集團醫(yī)療器械有限公司(上海,201803)

近10年來冠脈支架已經在介入手術中得到了較為廣泛的應用，它可以獲得較大的內腔尺寸、比較好的長期開放性和臨床效果，但是支架植入后再狹窄率仍超過20%[1]。主要原因在于：支架的應用中一開始就受到"大一點好"這一思想的影響，希望通過大的支架即刻膨脹來獲得好的應用效果，不太注意支架設計和材料的影響[2]。但是大量的動物實驗和臨床應用均表明，不同的支架設計之間確實存在差別[3-6]。其主要原因在于支架的植入會造成血栓及血管損傷[7]，而支架設計不同所造成的損傷也不同，從而能夠影響再狹窄[8]。因此，支架設計越來越受到重視。

有限元法(finite element method ,FEM)最早出現(xiàn)于20世紀60年代，當時是用來解決航天領域的結構問題，后期逐步擴展到了熱傳遞、流體力學、運動學以及電磁場等方面。自二十世紀七十年代被應用于醫(yī)學領域以來，顯示出了極大的優(yōu)越性，目前已經被應用到心動脈支架領域。本文綜述了有限元技術在支架設計中的研究進展，并提出了支架優(yōu)化設計的方向。

1 有限元法在支架設計中的應用

復雜形狀是很難通過常規(guī)的方法獲得其分析結果，因此引入有限元之類的數(shù)字化分析方法是非常必要的。有限元分析法通過網(wǎng)格化將復雜的區(qū)域劃分成相互連接的小而簡單的區(qū)域(單元)，通過單元之間的應力、應變傳遞可以獲得整體的應力、應變結果，從而可以方便的對復雜的機械問題進行求解[9]。換句話說，有限元技術首先是對每一個小的單元求解，然后將其正確組合以獲得整體的求解結果，而不是直接對整體求解。有限元分析中的網(wǎng)格化、生成單元及相互連接的節(jié)點、定義邊界條件被稱為問題的離散化。將材料特性賦予有限元模型，施加載荷并約束邊界條件，就可進行有限元的分析計算。通過后處理程序，即可獲得應力、應變結果，從而可以對各種性能進行預測及分析。

目前，全球使用的支架設計超過100種，它們在支架類型、尺寸、網(wǎng)孔形狀、網(wǎng)孔間連接等方面均存在較大差別，且由于支架本身形狀的復雜性以及與血管或病變接觸的復雜性，常規(guī)的方法也很難獲得所需要的結果。因此，有限元技術被認為是進行支架設計成本最低，且最適合的工具。利用有限元技術可以模擬支架膨脹[10]、彈性回縮[11]、球囊-支架接觸分析[12]、支架-血管接觸分析[13]、支架-斑塊-血管接觸分析[14]等，從而確定支架、血管及斑塊的應力情況以及支架對血流情況的影響等。它可以很方便的改變支架形狀進行重新分析，以比較不同設計之間的區(qū)別，進而進行優(yōu)化設計。

目前支架的主要材料有316L不銹鋼與 NiTi合金二種。316L的力學行為比較常見，有限元技術可以方便的對其性能進行模擬；而NiTi合金由于其加載過程中應力誘發(fā)馬氏體轉變，出現(xiàn)奧氏體與馬氏體兩相混合的過渡區(qū)，性能發(fā)生較大變化，其卸載曲線既不是沿著加載曲線，也不是沿著傳統(tǒng)的斜率為彈性模量的卸載曲線，而是存在一定的滯后區(qū)(如圖1所示)，這就為有限元模擬帶來很大的困難。隨著有限元技術的不斷發(fā)展，相關材料模型的不斷完善，使得對鎳鈦合金材料的模擬成為可能。目前能夠模擬NiTi合金的有限元軟件主要有ABAQUS (Hibbit Karlsson & Sorenses Inc.)與ANSYS (ANSYS.Inc.)。有限元分析中常用的材料常數(shù)如表1所示(由于各個公司的球囊性質差別較大，其參數(shù)未列入表中)。

表1 有限元分析中的材料常數(shù)Tab.1 Parameters of materials used in FEM

圖1 NiTi與316L的應力-應變曲線Fig.1 Stress-Strain Curves of NiTi and 316L

2 國內外研究現(xiàn)狀

由于支架的變形量較大涉及到塑性變形(材料非線性)，另外，球囊與支架以及支架與斑塊或血管之間的接觸(狀態(tài)非線性)均屬于結構非線性領域，有限元技術對于結構非線性問題具有較強的處理能力，為支架分析及優(yōu)化提供了一種非常方便的工具。但是需要注意的是：并不是所有的有限元軟件均適合進行支架的非線性分析，由于支架外形及接觸環(huán)境的復雜性，對軟件及處理器的要求均較高。目前在支架的有限元分析中被廣泛采用的是ABAQUS、ANSYS與ADINA(ADINA R & D Inc.)等。

1 Bestent支架; 2 Palmaz-Schatz支架; 3 Crown支架; 4 Palmaz-Schatz II支架; 5 NIR支架; 6 Micro-II支架; 7 Cardiocoil支架; 8 Wiktor 支架1 Bestent Stent; 2 Palmaz-Schatz Stent; 3 Crown Stent; 4 Palmaz-Schatz II Stent； 5 NIR Stent;6 Micro-II Stent;7 Cardiocoil Stent;8 Wiktor Stent

首先，需要明確的是支架設計的不同包括多種因素間的差別，而能對其機械性能產生較大影響的主要包括材料、尺寸、外形等。圖2總結了8種不同設計支架的徑向抗力與直徑變化之間的關系曲線[15]，可以看出，支架設計對其性能具有較大影響。而有限元技術通過改變模型數(shù)據(jù)與參量能夠非常方便的對上述因素的影響進行分析，因此，有限元技術正在心動脈支架領域正得到越來越廣泛的應用。但是目前的有限元分析還相對簡單，主要以支架自身的膨脹及回縮等性能為主。如Francesco等[11]利用有限元法對Palmaz-Schatz支架進行的分析表明：金屬所占的面積比以及支架壁厚均對支架徑向、軸向回縮以及變形均勻性有影響；低的面積比具有較高的徑向和軸向回縮，但是變形均勻性較好；減少壁厚可以減少膨脹壓，但是軸向回縮和變形不均勻性增加。Frederique等[16]比較了管狀支架(Palmaz-Schatz)與纏繞支架(Freedom)之間的差別，結果表明：管狀支架的膨脹壓與徑向回縮要明顯高于纏繞型支架；通過減少管狀支架壁厚可以較大的提高其柔順性。但是Joseph 等[17]通過動物實驗卻發(fā)現(xiàn)纏繞型支架(Gianturco-Roubin II)的徑向回縮要明顯高于另外三種管狀支架(Palmaz-Schatz，Multilink，NIR)，同樣Paul等[18]通過對23種不同支架的模擬測試也得出：纏繞型支架的徑向回縮要高于管狀支架。造成這種矛盾的主要原因在于：Frederique等的有限元模擬中僅限于支架本身，未加入血管的作用，因為血管要對支架產生相反的徑向壓應力，如果支架徑向支持力差的話必然產生較大的徑向回縮。而Regis Rieu等[19]通過實驗研究，F(xiàn)rederique等通過有限元模擬均已得出，纏繞型支架的徑向支持力要明顯低于管狀支架。因此，其有限元分析的結果是可以理解的。

David等[20]利用有限元法模擬了不同加載速度下支架的膨脹，結果顯示：過大與過小的加載速度均會產生不利的結果。小的加載速度導致支架變形不均勻，產生明顯的彎曲；大的加載速度對應大的支架應。故建議采用中等的加載速度，這對于臨床使用具有一定的指導意義，但是目前還沒有相關的實驗驗證，并且在其模擬中載荷是直接加到支架內表面的，未考慮球囊的作用。因此，還有必要增加球囊-支架的接觸分析，以提高有限元模擬的仿真性。

在球囊-支架/血管接觸分析方面，已經出現(xiàn)了有限元的相關報道。如Campbell等[21]模擬了支架膨脹過程中球囊與血管的相互作用，認為高的膨脹壓、大的支架網(wǎng)孔、軟的球囊均會導致球囊擠出，將導致大的球囊-血管接觸面積與接觸應力，必然造成較大的血管損傷。通過對兩種不同設計支架的比較，Campbell等提出：波紋環(huán)狀網(wǎng)孔設計將比槽狀網(wǎng)孔設計產生更小的內膜損傷與再狹窄， 這與其動物實驗的結果是一致的。

另外，Kwek等[12]利用有限元法模擬了球囊與支架的相互作用，通過對兩種不同壁厚的波紋環(huán)狀S-Stent的比較發(fā)現(xiàn)，厚壁支架膨脹過程中等效塑性變形與軸向回縮均有所下降。并認為產生這種結果是有益的，一方面，等效塑性變形減小可以減少球囊膨脹壓，造成的血管損傷也相應減少；另一方面，軸向回縮減少可以增加定位的準確性。但是Adnan等[22]通過對651例不同壁厚的Multi-Link支架的術后再狹窄分析發(fā)現(xiàn)，薄壁支架的平均再狹窄(15%)明顯小于厚壁支架(25.8%)。而Joseph等[23]通過對三種不同設計支架的組織切片結果卻顯示，支架壁厚對內膜增生影響不大。造成這種差別的原因可能在于支架類型與壁厚范圍的不同，因為Adnan等認為只有壁厚≤75um時，壁厚的影響才會變得明顯。并且Kwek等的有限元分析中僅涉及球囊與支架間的相互作用，通過支架塑性變形來推論血管損傷，缺乏準確性，因此，有限元分析中應增加支架與血管的相互作用，以提高其仿真性。

Berry等[13]利用有限元法模擬了支架與血管的相互作用，并結合體外與體內實驗發(fā)現(xiàn)，與血管柔順性相匹配的軟支架可以減少血液動力學紊亂，并能減少血管應力。但是需要注意的是，軟的支架在血管壓應力的作用下可能對應較大的彈性回縮，并且支持斑塊的能力也將受到限制。因此，軟支架的優(yōu)點與應用仍需進一步探討。

此外，Tan等[24]首次利用有限元法分析了斑塊與支架間的相互作用，發(fā)現(xiàn)在斑塊作用下兩種支架(Palmaz-Schatz，F(xiàn)reedom)呈現(xiàn)出不同的變形方式，提出了影響支架膨脹的幾種因素，并指出過大與過小的膨脹壓都是不利的。Dumoulin等[25]利用有限元法分析了材料缺陷對支架性能的影響，并進行了疲勞壽命的預測。James等[26]研究了支架對血流的影響，發(fā)現(xiàn)支架植入會造成渦流與流動停滯，從而促進血小板聚集，認為支架設計對此具有較大影響。這都為有限元技術在心動脈支架領域的進一步應用，開辟了更加廣闊的空間。

總之，有限元技術在心動脈支架領域已經獲得了一定的應用，支架植入不僅會影響血管內應力，造成血管損傷，而且會影響血流情況，促進再狹窄。因此，支架的優(yōu)化設計應當從固體力學、流體力學兩個方面同時進行，單純考慮某一方面是不全面的。但是，目前支架的有限元分析還未能同時兼顧這兩方面的內容，且尚未形成完全統(tǒng)一的結論，其仿真性還有待于進一步提高。

3 支架優(yōu)化設計方向

支架的優(yōu)化設計應當結合臨床及動物實驗的結果進行，對于可能造成再狹窄的各種可能因素進行分析。利用有限元技術可以方便的改變支架設計，并進行對比分析，這可以極大的減少設計成本與開發(fā)周期，具有其它方法所無法替代的優(yōu)點，這對于理想支架的開發(fā)是很有價值的。David等[27]提出了理想支架應具有的特點，而有限元技術能對其多種性能進行預測及模擬，具體應用如表2所示。

表2 有限元技術在理想支架設計中的應用Tab.2 Use of FEM in the design of ideal stent

但是，目前的有限元分析還處于相對簡單的階段，大部分報道僅限于支架本身的機械性能，而未考慮球囊、血管、斑塊等的作用。要實現(xiàn)真正意義上的有限元仿真模擬，應當盡可能的將上述因素考慮在內。綜合有限元技術在心動脈支架領域的應用情況，作者提出了支架優(yōu)化設計的方向：(1)控制變形均勻性，以減少支架不均勻變形對血管的損傷；(2)保證充分變形的基礎上，盡量減少球囊膨脹壓，以減少由于球囊膨脹與支架刺入對血管的損傷；(3)減少徑向與軸向的彈性回縮，一方面可以獲得可能大的管腔直徑，以保證血流量；另一方面可以減少短縮對支架定位帶來的不利影響；(4)足夠的柔順性，保證支架順利通過血管到達病變部位，并減少對血流的影響；(5)足夠的徑向支持力，使得支架能夠抵抗血管與斑塊對支架的壓應力，防止支架回縮與崩潰；(6)減少渦流與網(wǎng)孔間的流動停滯，以減少血小板聚集。

可以預見，有限元技術在心動脈支架領域具有廣闊的應用前景，不久的將來，有限元技術將成為評價支架效果的有效工具，在其指導下還會出現(xiàn)新的支架體系。

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