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球囊冠脉支架介入过程的CAE分析

发布于:2024-04-23 18:50
CAE分析

      冠脉支架的介入过程依次经历压握收缩→压握卸载→球囊扩张→球囊卸载等4个阶段,因此,支架介入系统的计算模型主要由压缩壳、球囊、支架和冠脉血管组成。根据血管组织结构所呈现的生物力学特性,将血管划分为内膜、中膜和外膜3层组织结构,利用线性减缩积分单元C3D8R划分弯曲冠脉结构,在每层组织的厚度方向划分2个单元用于抑制冠脉与支架的接触穿透。将压握工具和球囊简化为刚性圆柱壳,通过线性减缩积分单元S4R离散上述结构。由于冠脉支架的支撑体决定了结构的径向支撑特性,而联接筋决定了结构对于弯曲血管的柔顺性,因此,建立了3种联接筋结构形式的冠脉支架几何模型,利用线性减缩积分单元C3D8R离散上述冠脉支架结构,沿厚度方向布置4个单元控制结构沙漏模式的传播,由此通过上述3种支架结构所建立的支架介入系统力学模型来CAE分析支架结构形式对血管支架内再狭窄的影响。
      基于唯像弹性理论,忽略血管材料的蠕变、松弛和迟滞效应,将血管本构关系简化为柯西弹性模型。因此,存在一个具有框架不变性的标量势函数-应变能密度函数W(λ1,λ2,λ3,J),用于描述各向同性可压缩材料的本构关系,Ogden等提出了一种多项式形式的应变能密度函数W=∑Ni=1μiαiJ-αi3λαi1+λαi2+λαi()3[-3]+∑Mi=11Dj(J-1)2j(1)  
      其中,αi、μi、Dj为材料固有的弹性参数,λ1、λ2、λ3为材料在3个主方向上的伸长率,J为材料的体积膨胀率。鉴于Kirchhoff应力与Eulerian应变的功共轭性,Kirchhoff应力与Cauchy应力的转化关系,则Cauchy应力的主分量σi可表示为:
      Jσi=λiWλi  i=1,2,3
    由此,式即为冠脉血管的超弹性本构方程,通过拟合冠脉血管(内膜、中膜和外膜)的单轴拉伸实验数据(如图所示),获得血管本构模型的力学特性参数。 
      此外,将压握壳和球囊简化为经典线弹性本构模型,冠脉支架则简化为基于各项同向塑性强化的VonMises-Hill弹塑性本构模型。其中,对于冠脉与支架的材料、几何大变形问题,通过大变形增量客观性积分算法来求解血管材料的超弹性本构模型,并利用基于J2塑性流动律的径向积分返回算法更新冠脉支架的应力状态。
      冠脉支架右端中间节点的轴向自由度和左端中间节点的周向自由度,施加冠脉支架与压缩壳、球囊、冠脉血管之间的接触作用来约束支架的径向自由度。固定冠脉血管两端节点的径向、周向和轴向自由度,约束压缩壳和球囊左端的周向自由度,抑制压缩壳和球囊右端的轴向自由度。此外,根据冠脉支架介入系统植入过程的力学行为,首先通过压握壳的径向收缩将冠脉支架压握到球囊表面,然后失效压握壳与支架的接触作用释放压握壳的径向约束;再利用球囊的径向扩张将冠脉支架膨胀至公称尺寸撑开冠脉血管,最后失效球囊与冠脉支架的接触作用释放球囊的径向约束。


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