基于有限元分析的冠脉支架疲劳强度研究

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目前，冠状动脉支架植入术已成为冠心查入治疗最常用、最有效的方法。支架在植入血管内要经历三个过程：支架压握在球囊过程，植入病变时在球囊作用下的扩张过程和球囊撤出后的支架自身反弹及受血管壁的压缩过程，这三个重要的过程对支架的结构尺寸、扩张变形等产生-定的影响。尤其是高压扩张可能是引起支架断裂Il的潜在原因。植入血管内的支架，不断经受循环血液流动的作用，血流速度受血压的影响有周期性的波峰、波谷的变化，支架所受的压力也周期性的变化。支架在持续的外力作用下，容易产生应力集中区域，支架就会出现结构上的疲劳断裂或不可恢复的变形[21。

国内外众多的研究报道[3-7]显示 ，在冠脉支架植入术中支架发生断裂是较为频繁的现象，而且支架发生断裂的原因和植入的支架种类、植入部位、植入方法等有关。文献 分析支架疲劳强度的研究，采用某公司疲劳试验机对支架进行加速疲劳试验和高周疲劳的S-N曲线对血管支架的疲劳寿命进行了评估，验证在血管周期脉动载荷下，支架满足 10年至少3.8亿次的循环后保持支架完整，没出现裂纹、断裂。文献浩I 2睬用建立冠脉支架系统的有限元模型，全面考虑冠脉支架、压握壳、球囊和冠脉血管支架的相互作用，定量分析了冠脉支架的疲劳强度，并实施了疲劳试验。

研究冠脉支架的疲劳强度，建立血管-压握壳-冠脉支架-球囊相互接触的有限元模型，研究支架的静态扩展和动态加载两个过程。采用有限元方法分析三种支架的完整变形过程中的应力变化，绘制疲劳极限曲线(Goodman曲线)，分析支架的疲劳强度 ，为支架的理论设计提供科学的依据。

2材料与方法2.1材料模型冠脉支架材料使用医用不锈钢 SUS-316L，采用 Von Mises屈服准则和各向同性强化准则描述支架的弹塑性变形行为。通过来稿日期：2012-04-06基金项目：国家自然科学基金项目(81160186)；内蒙古自然科学基金项 目(2011BS0708)；内蒙古自治区高等学衅学研究项目(NJZY11077)；内蒙古工业大学科学研究项目(ZD201109)作者简介：张瑞敏，(1987-)，男，忻州市，在读硕士研究生，主要研究方向：精密仪器及机械；冯海全，(1972)，男，蒙古族，呼和浩特市，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：精密机械设计理论及应用第2期 张瑞敏等：基于有限元分析的冠脉支架疲劳强度研究 269单轴拉伸试验，获得了SUS-3 16L的材料拉伸力学性能，如图l所示。其弹性模量为 201GPa，泊松比为0-3，屈服极限为280MPa，强度极限为 750MPa，断裂应变为 O.5O♂合已有文献报道l31，压握壳与膨胀球囊为线弹性连续壳，它们的弹性模量为300MPa，泊松比为 0.499。

·倒应变图 1不锈钢应力-应变曲线Fig.1 Stress-Strain Curve of Stainless Steel2.2几何模型在实践模拟技术的过程中，首先在 AutoCAD中建立支架平面结构，再在Solidworks中建造三维模型，然后导人Hypermesh软件中实现网格划分，最后导入 Abaqus完成相关的设定和计算〖虑到支架扩张过程涉及到材料、几何和接触等复杂的非线I生问题，而支架结构在轴向上又具有周期性，因此为了减少计算量，只选取了支架的两个单元体模型进行分析计算，分析的三种支架模型的结构示意图，如图2所示。支架A为 ”形连接体的支架；支架为S”形连接体的支架；支架c为短直杆形连接体的支架。

(c)支架 C图2支架三维几何模型Fig.2 Three Dimensional Models of Stent2.3网格划分压握壳和球囊采用 4节点线性连续壳单元 Sd，上布置5个 Gauss积分点；支架采用8节点线性减缩积分单元C3D8R，在支架厚度上布置(4～6)层单元，宽度上布置(4～6)层单元，考虑到减缩积分的沙漏数值问题，采用增强型沙漏控制算法抑制沙漏来保证合理的计算精度和计算效率。此外，为了避免支架在挤压所用的大变形引起的单元畸变，在 Hypermeshl0.0中对支架进行网格设计与优化，其单元纵横比，最大最小内角和单元雅可比均远离容限值，保证可靠的求解精度。

2.4边界条件为模拟支架在真实过程中的变形特点，对支架的-端约束轴向自由度和周向自由度，另-端约束周向自由度，保证支架轴向可以自由伸缩，支架的径向自由度则可通过压握壳、球囊和血管的接触约束来限制。压握壳、球囊和血管的约束条件与支架相似，都是-端约束轴向自由度，另-端无约束和周向自由度完全约束。

2.5载荷定义冠脉支架植入体内包括两个过程：静态扩张过程和动态加载过程。静态扩张的步骤：先将压握壳施加径向载荷，使支架的外径由 1.6mm压握至 1.0mm，释放压握壳径向载荷，冠脉支架经历压握卸载；通过球囊导引支架输送到病变位置，扩张球囊使支架内径至 3.0mm，释放球囊的径向载荷，冠脉支架经历球囊卸载，如图3所示。动态载荷的步骤：支架在脉动循环载荷作用下，施加循环载荷分别为：高压 160mmHg和低压80mmHg，对应的应力值为 0.0213MPa和0.0107MPa，模拟人体的正常血压变化，如图4所示。

l稔11-11I 1鲁-o.5J0 -0.3载3荷步 )图3静态扩张过程Fig.3 Static Loading6 7 1o ll l2载荷步(s)图4动态加载过程Fig.4 Dynamic Loading3有限元分析结果3.1支架扩张过程的强度分析支架扩张过程包括压握收缩、压握卸载、球囊扩张、球囊卸载四个阶段，三种支架在扩张过程中的最大等效应力和等效塑性应变，如表 1所示。最大等效应力都集中在支撑体和连接体交接在壳的厚度 的内侧表面，这与文献 经临床研究发现的断裂位置是-致的。

-No.2Feb.201 3 机械 设 计 与制 造 2713.3安全系数支架在脉动循环应力的持续作用下会发生疲劳断裂 ，因此在动态分析中的加载过程能真实模拟支架疲劳载荷。疲劳寿命曲线能描述支架相当 10年寿命的疲劳断裂强度，而动安全系数又能定量的反映支架的安全性。

因此，定义动态安全系数 S -1/SFi惭；o llo啦 o 口el( 80. 1∞ 唯)，2 ( 80 仃l60 地)/2式中：口 -拉伸强度极限；-疲劳极限；(1)(2)(3)， 广支架在脉动载荷下的等效交替应力和等效平均应力。

表2支架疲劳强度的安全系数Tab.2 Safety Factor of Stent Fatigue Strength为了更清楚明白地反映三种支架的变形性能，支架变形结果的定量分析及安全计算，如表2所示。支架A的最大等效应力和塑性等效应变是集中在支撑体和连接体交接的内侧表面，支架曰和C的最大等效应力和塑性等效应变是集中支架两端翘起的地方；通过计算三种支架的动态安全系数都大于 1，说明支架在脉动循环应力的持续作用下是安全的。

4结论利用有限元分析方法对冠脉支架的疲劳强度进行分析，得到最大等效应力在支撑体和连接体交接的内侧表面，Goodman线图显示，三种支架都满足疲劳强度的要求 ，在设计时应充分考虑应力集中区域，在危险位置的应力分布趋于均匀，可避免支架疲劳破坏，为支架的理论设计提供科学的依据。