冠状动脉支架力学行为有限元分析及其结构优化

论文摘要

经皮穿刺冠状动脉成形术(PTCA)已成为我国冠心病患者的首选治疗方案,作为该手术中的一个重要植入器件——冠状动脉支架,其研究和应用的现状是:在结构设计、加工和测试领域中,国内研究明显不足,大部分的核心技术需要依赖于国外;同时,支架内再狭窄逐渐成为制约支架技术发展的瓶颈,理想的支架设计仍是未来研究的热点。所以本论文的主要目的就是研制和开发具有自主知识产权的冠状动脉支架产品,并利用有限元技术对冠脉支架的结构进行优化设计。为此,本论文首先就冠状动脉支架的技术特征、临床应用、发展趋势以及弹塑性有限元基本理论进行了综合评述,其次,针对316L不锈钢冠脉支架的有限元结构设计、加工和测试等方面展开了研究,内容包括冠脉支架的设计,支架加工工艺的探索与实践,支架的膨胀及抗压缩过程的有限元模拟,支架的无Dogboning、无缩短结构优化设计,支架的抗压缩性能、膨胀性能体外测试和动物体内植入试验,此外,还包括支架预装机及支架支撑力测试仪这两个装置的研制。其中,利用有限元技术对支架力学行为进行分析和结构优化是本论文的重点。 通过上述研究,得出了以下主要结果和结论: (1)在对已有支架总结、理解的基础上,提出了支架结构设计的一般准则,即:支架一般由环状支撑体和连接体组成。支架的径向支撑力主要取决于环状支撑体的结构特征。支架的轴向弯曲性能主要取决于支架连接体的结构特征。支架的长度通过调整环状支撑体的数量来选择,支架的膨胀范围则靠增加或减少环状支撑体上波形单元的数目来控制。依据这一准则以及有限元模拟的结果,设计出了4种不同结构的新型冠脉支架。 (2)通过对支架加工工艺的探索与实践,得出目前支架最适宜的加工方法为三维激光切割,其最佳工艺依次为:①激光切割;②超声清洗去污、去油;③酸洗去熔渣、氧化皮;④电化学抛光;⑤表面钝化。 (3)在围绕专有支架设计的有限元模拟与实验验证中发现: ①用位移加载膨胀的方式不能真实地反映支架膨胀的形式,而应采用压力加载的方式。 ②改变支架筋的尺寸能够影响支架扩张所需的膨胀压和扩张后的抗压缩性能,但对支架的径向和轴向反弹性能影响不大;改变支架的扩张尺度,同样对支架的径向和轴向反弹性能影响有限,但对支架的抗压缩性能影响明显;改变支架的使用材料、局部结构对支架的膨胀性能和抗压缩性能则均有显著的影响。 ③支架在膨胀过程中的轴向缩短与支架筋的尺寸变化以及材料的选用没有关系,而

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 冠心病的手术治疗方法
• 1.2.1 冠心病的微创伤治疗
• 1.2.2 冠状动脉支架植入术
• 1.3 冠状动脉支架的分类
• 1.3.1 膨胀机制
• 1.3.2 制造材料
• 1.3.3 几何结构
• 1.3.4 其他分类
• 1.4 冠脉支架的一般技术指标
• 1.5 冠状动脉支架的设计参数与其临床性能的关系
• 1.6 冠状动脉支架的有限元模拟及其结构优化设计
• 1.6.1 理想支架的设计特点
• 1.6.2 冠脉支架有限元模拟及其辅助优化设计的意义
• 1.6.3 支架有限元模拟的现状
• 1.6.4 支架结构有限元优化设计的思路
• 1.7 本文选题的目的、意义及主要内容
• 1.7.1 本文选题的目的及意义
• 1.7.2 本文主要内容
• 2 支架模拟中的弹塑性有限元基本理论
• 2.1 支架使用过程中的力学行为特点
• 2.2 有限元法要点
• 2.3 弹塑性有限元基本理论
• 2.3.1 弹塑性力学中的数学模型
• 2.3.2 弹塑性力学问题的变分法
• 2.3.3 弹塑性力学的有限元法
• 2.4 非线性问题有限元法
• 2.4.1 非线性问题分类
• 2.4.2 非线性刚度方程的数值解法
• 2.5 Ansys和Pro／Engineer程序简介
• 2.6 本章小结
• 3 冠脉支架的设计与制备
• 3.1 引言
• 3.2 冠脉支架设计的一般准则
• 3.2.1 正弦波形环状支撑体+“V”形连接体结构的新型支架设计
• 3.2.2 不规则锯齿形环状支撑体+“⌒”形连接体结构的新型支架设计
• 3.2.3 正弦波形环状支撑体+“（?）”形连接体结构的新型支架设计
• 3.2.4 不规则锯齿形环状支撑体+组合连接体结构的新型支架设计
• 3.2.5 四种新型支架设计的技术指标
• 3.3 冠脉支架的制备
• 3.3.1 丝缠绕
• 3.3.2 光化学刻蚀
• 3.3.3 激光切割
• 3.4 冠脉支架的预紧缩
• 3.5 本章小结
• 4 支架膨胀过程的有限元模拟
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型与方法
• 4.2.1 支架三维有限元模型
• 4.2.2 方法
• 4.2.3 定性及定量指标
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 不同加载方式对支架变形形式的影响
• 4.3.2 支架筋的变化对其膨胀行为的影响
• 4.3.3 支架扩张尺度的变化对其反弹行为的影响
• 4.3.4 支架使用材料不同对其膨胀行为的影响
• 4.3.5 支架几何结构的变化对其膨胀行为的影响
• 4.4 模拟校核及实验验证
• 4.5 本章小结
• 5 支架抗压缩性能有限元模拟及测试装置的设计
• 5.1 引言
• 5.2 有限元模型与方法
• 5.2.1 支架支撑强度测试原型
• 5.2.2 支架支撑强度测试的有限元模型
• 5.2.3 方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 支架扩张尺度的变化对其抗压缩性能的影响
• 5.3.2 支架筋的变化对其抗压缩性能的影响
• 5.3.3 支架使用材料不同对其抗压缩性能的影响
• 5.3.4 支架几何结构的变化对其抗压缩性能的影响
• 5.4 支架支撑力测试装置的设计
• 5.4.1 支架支撑力测试装置的设计原理
• 5.4.2 支架支撑力测试装置中弹簧圈的设计
• 5.4.3 设备的选择与组装
• 5.4.4 支架支撑力的实验测试
• 5.4.5 支架支撑力测试结果与模拟结果的相互验证
• 5.5 本章小结
• 6 无Dogboning、无缩短冠脉支架优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 无Dogboning、无缩短支架结构优化设计
• 6.2.1 模型与方法
• 6.2.2 验证实验
• 6.2.3 结果与讨论
• 6.3 无缩短支架设计还应考虑的其他因素
• 6.3.1 有限元模型与方法
• 6.3.2 结果与讨论
• 6.3.3 实验验证
• 6.4 本章小结
• 7 冠状动脉支架体外膨胀测试及动物体内试验
• 7.1 支架体外极限膨胀测试
• 7.1.1 测试目的
• 7.1.2 测试材料与方法
• 7.1.3 测试结果
• 7.1.4 讨论
• 7.1.5 小结
• 7.2 动物试验
• 7.2.1 试验目的
• 7.2.2 试验材料
• 7.2.3 试验方案
• 7.2.4 试验结果
• 7.2.5 讨论
• 7.2.6 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书