柔順性是冠脈支架重要的力學性能之一,良好的柔順性能夠確保支架在導管係統的引導下順利地通過複雜曲折的血管路徑,最終到達心髒病變血管的狹窄位置,還能使膨脹後的支架與彎曲血管充分貼合,減小支架對血管壁的機械損傷。本文采用抗彎剛度的倒數來描述結構的柔順性,並針對3種具有非對稱結構的冠脈支架,利用有限元分析冠脈支架在平麵純彎曲載荷作用下結構的抗彎剛度,進而研究聯接筋結構形式對支架縱向柔順性的影響。
將冠脈支架簡化為純彎曲變形的簡支梁結構。在支架的自由端截麵中心處定義主控節點E、F,通過運動耦合約束將支架兩端端麵節點的3個平動自由度和3個轉動自由度耦合到各自的主控節點上,在支架兩端的主控節點E、F上施加簡支梁的約束條件(如圖3所示),以確保自由端截麵維持平麵,並提供計算彎曲變形的轉角自由度及其對應的彎矩載荷。在主控節點E、F上施加彎矩M,彎矩通過靜力等效原則傳遞給支架端麵的運動耦合節點集上,使支架繞x軸發生彎曲變形。
當支架彎曲變形後的曲率足夠大時,結構的受壓區域會發生局部的相互接觸,而局部的自接觸將影響支架的抗彎剛度。為正確模擬接觸狀況,本文通過研究目標支架結構的設計特征並結合模擬試算,在所有可能發生自接觸的單元位置上均設置了接觸對,以確保彎曲變形的合理性。
在3種冠脈支架介入係統模型中,支架對直冠脈血管具有很好的順應性。對於彎曲冠脈血管,冠脈端部被支架完全撐直,血管內、外彎曲的曲率在支架的左端發生了嚴重的幾何奇異性(如圖所示)。冠脈在直血管段的應力分布比彎曲血管段均勻,並且在支架支撐體頂點附近的血管應力具有很高的應力梯度(如圖所示)。彎曲冠脈在支架左端處存在極高的應力集中區域,無論是球囊膨脹階段還是球囊卸載後,3種支架植入後的彎曲冠脈血管的最大應力均是直的冠脈血管的4~6倍。
冠脈支架的彎矩-轉角關係呈現3個階段,如圖所示,在起始階段,支架材料處於線彈性階段,彎矩-轉角呈線性關係;在中間階段,支架材料進入塑性強化階段,彎矩-轉角呈緩變單調增加關係;在陡變階段,支架自接觸行為進一步強化了結構的抗彎剛度,彎矩-轉角呈突然上升關係。冠脈支架結構的縱向柔順性對彎曲血管的整體應力分布具有顯著的影響,如圖所示,C型冠脈支架的抗彎剛度顯著高於S型、N型支架,C型支架的縱向柔順性最差,植入後所引起的血管整體應力水平最高;而S型、N型支架由於聯接筋結構的類似性,兩種支架的結構抗彎剛度比較接近,但是S型支架具有更好的縱向柔順性,植入後所引起的血管整體應力水平最低。
綜上,冠脈支架的縱向柔順性衡量了結構的整體彎曲柔度,支架結構的鏈接筋直接決定了縱向柔順性性能,但是,支架支撐體的局部塑性失穩變形導致了冠脈血管的應力集中現象顯著。因此,冠脈支架的縱向柔順性和支撐體局部結構的失穩是血管力學損傷的主要影響因素,優化支撐體結構參數和聯接筋的拓撲結構將提高支架對彎曲血管的順應性。
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