血管支架介入耦合系統(tǒng)血流動力學(xué)數(shù)值模擬與實驗研究.pdf

1、由心血管動脈硬化引起的冠心病是一項危及人類生命健康安全的世界性公共衛(wèi)生問題?；谘苤Ъ艿慕槿胄灾委煼椒ㄒ蚱湮?chuàng)傷和高效性,成為當前治療心血管狹窄性冠心病的重要方法。但早期的支架植入技術(shù)帶來了支架內(nèi)再狹窄的問題,究其主要原因,是由于介入治療造成血管壁損傷和血流動力學(xué)環(huán)境的改變,從而引發(fā)血栓形成和內(nèi)膜增生。
　　 目前對于預(yù)防再狹窄的血管支架的研究,主要集中在藥物洗脫支架的設(shè)計與制造、支架材料的生物相容性等領(lǐng)域,尚缺乏基于血管支架

2、介入耦合系統(tǒng)血流動力學(xué)原理的支架本體結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方面的研究。
　　 本文在課題組前期研究成果的基礎(chǔ)上,將血管支架介入耦合系統(tǒng)的血流動力學(xué)基礎(chǔ)理論、數(shù)值模擬和測試實驗相結(jié)合,建立了血管-支架-血流耦合的有限體積法模型和血流動力學(xué)測試實驗平臺,深入研究了內(nèi)膜增生的支架再狹窄機理,為血管支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了新的研究思路。論文主要研究成果如下:
　　 (1)研究了血管-支架耦合系統(tǒng)三維數(shù)值分析的血流動力學(xué)基礎(chǔ)理論。通過研究該耦

3、合系統(tǒng)內(nèi)各組份的力學(xué)性質(zhì)和冠脈中血液流動的分析模型,采用Womersley理論,建立了血管-支架耦合系統(tǒng)中血流運動方程及血管壁方程和它們的求解步驟。針對血液流動這樣一個非穩(wěn)態(tài)(瞬態(tài))的壓力-速度耦合問題,建立了血管-支架耦合系統(tǒng)血流動力學(xué)的有限體積法方程,重點闡述了有限體積法分析中的交錯網(wǎng)格技術(shù)、SIMPLE算法和PISO算法等關(guān)鍵技術(shù)。
　　 (2)研究了血管-支架耦合模型血流動力學(xué)數(shù)值模擬的有限體積法關(guān)鍵技術(shù),深入全面地研究

4、了支架植入病變部位后血流運動特征以及支架內(nèi)再狹窄的形成機理。重點對周期脈動血流環(huán)境下耦合系統(tǒng)流體動力學(xué)有限體積法模擬中的幾何建模、材料模型選取、網(wǎng)格劃分、邊界條件、求解控制方法和計算精度等關(guān)鍵問題進行了分析。通過對耦合系統(tǒng)在定常流和生理脈動流環(huán)境下流動形態(tài)、流速、壁面剪應(yīng)力(wall shear stress,簡稱WSS)等結(jié)果的詳細分析,得出以下結(jié)論:無論何時,壁面剪應(yīng)力的最小值總是出現(xiàn)在支架桿臨近區(qū)域；任意時刻,壁面某個點的WSS與

5、入口速度、入口加速度正相關(guān),而整個壁面低WSS(<0.5Pa)區(qū)域面積與入口速度負相關(guān)；在一個心動周期的部分時刻,支架段內(nèi)出現(xiàn)低于0.5Pa的WSS,因此該區(qū)域為內(nèi)膜增生易發(fā)區(qū)。
　　 (3)在血管支架介入耦合系統(tǒng)基本模型數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上,提出支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的分析方法。通過求解支架幾何參數(shù)變化了的耦合系統(tǒng)模型,得出以下結(jié)論:支架桿壁厚與低WSS區(qū)域面積正相關(guān)；支架桿寬度與WSS基本無關(guān)；支架一血管直徑比為1最為理想,比值越大,低W

6、SS區(qū)域(特別是支架近前端區(qū)域)越大。因此,在滿足支架其他力學(xué)性能要求的前提下,應(yīng)盡量減小支架的壁厚,并在支架擴張中進行控制,盡可能使擴張后的支架外徑與周圍健康血管壁內(nèi)徑一致。這些對血管支架的優(yōu)化設(shè)計有著明確的指導(dǎo)意義。
　　 (4)針對開發(fā)優(yōu)良力學(xué)性能冠脈血管支架的測試需求,研制了基于虛擬儀器和機器視覺的血管支架介入耦合系統(tǒng)血流動力學(xué)測試裝置。應(yīng)用所研制的測試裝置,對自主研發(fā)的薄壁微管雕刻316L不銹鋼冠脈支架介入過程中包括輸

7、送性、徑向支撐力以及支架植入后血運特性等一套完整的血流動力學(xué)性能參數(shù)進行了測試。測試結(jié)果表明:該支架具有良好的輸送性能；其徑向支撐力為180KPa；該支架植入后降低了支架中段血管內(nèi)壁的WSS,使得支架中段及支架近前端和近后端處出現(xiàn)低WSS區(qū),易導(dǎo)致內(nèi)膜增生而出現(xiàn)再狹窄。測試過程和結(jié)果表明所研制的測試裝置滿足對冠脈支架力學(xué)性能的測試需求。
　　 (5)針對冠脈血流運動特點,提出了基于電化學(xué)方法的血管一支架耦合系統(tǒng)的WSS測試方法,