血管支架介入耦合系統(tǒng)血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、由心血管動(dòng)脈硬化引起的冠心病是一項(xiàng)危及人類生命健康安全的世界性公共衛(wèi)生問(wèn)題?；谘苤Ъ艿慕槿胄灾委煼椒ㄒ蚱湮?chuàng)傷和高效性,成為當(dāng)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(lái)了支架內(nèi)再狹窄的問(wèn)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(dòng)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(duì)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(jì)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(dòng)力學(xué)原理的支架本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論、數(shù)值模擬和測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái),深入研究了內(nèi)膜增生的支架再狹窄機(jī)理,為血管支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論。通過(guò)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(dòng)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(yùn)動(dòng)方程及血管壁方程和它們的求解步驟。針對(duì)血液流動(dòng)這樣一個(gè)非穩(wěn)態(tài)(瞬態(tài))的壓力-速度耦合問(wèn)題,建立了血管-支架耦合系統(tǒng)血流動(dòng)力學(xué)的有限體積法方程,重點(diǎn)闡述了有限體積法分析中的交錯(cuò)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(dòng)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(yùn)動(dòng)特征以及支架內(nèi)再狹窄的形成機(jī)理。重點(diǎn)對(duì)周期脈動(dòng)血流環(huán)境下耦合系統(tǒng)流體動(dòng)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(jì)算精度等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)耦合系統(tǒng)在定常流和生理脈動(dòng)流環(huán)境下流動(dòng)形態(tài)、流速、壁面剪應(yīng)力(wall shear stress,簡(jiǎn)稱WSS)等結(jié)果的詳細(xì)分析,得出以下結(jié)論:無(wú)論何時(shí),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(shí)刻,壁面某個(gè)點(diǎn)的WSS與

5、入口速度、入口加速度正相關(guān),而整個(gè)壁面低WSS(<0.5Pa)區(qū)域面積與入口速度負(fù)相關(guān)；在一個(gè)心動(dòng)周期的部分時(shí)刻,支架段內(nèi)出現(xiàn)低于0.5Pa的WSS,因此該區(qū)域?yàn)閮?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(guò)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(wú)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(kuò)張中進(jìn)行控制,盡可能使擴(kuò)張后的支架外徑與周圍健康血管壁內(nèi)徑一致。這些對(duì)血管支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著明確的指導(dǎo)意義。
　　 (4)針對(duì)開(kāi)發(fā)優(yōu)良力學(xué)性能冠脈血管支架的測(cè)試需求,研制了基于虛擬儀器和機(jī)器視覺(jué)的血管支架介入耦合系統(tǒng)血流動(dòng)力學(xué)測(cè)試裝置。應(yīng)用所研制的測(cè)試裝置,對(duì)自主研發(fā)的薄壁微管雕刻316L不銹鋼冠脈支架介入過(guò)程中包括輸

7、送性、徑向支撐力以及支架植入后血運(yùn)特性等一套完整的血流動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)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(cè)試過(guò)程和結(jié)果表明所研制的測(cè)試裝置滿足對(duì)冠脈支架力學(xué)性能的測(cè)試需求。
　　 (5)針對(duì)冠脈血流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),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(cè)試方法,