2020年11月5日，國(guó)家醫(yī)保局在天津完成首次國(guó)家組織高值醫(yī)用耗材冠脈支架集中帶量采購(gòu)工作。通過(guò)公開(kāi)競(jìng)價(jià)，心臟支架的價(jià)格從均價(jià)1.3萬(wàn)元左右降至700元左右，這種斷崖式降價(jià)無(wú)疑是病患們的福音。

《中國(guó)心血管健康與疾病報(bào)告2019》顯示，目前我國(guó)心血管病患病人數(shù)達(dá)3.3億；從2009年到2019年，中國(guó)冠心病手術(shù)量從23萬(wàn)例發(fā)展到超過(guò)100萬(wàn)例， 年增長(zhǎng)速度10%—20%。

而心臟支架看似簡(jiǎn)單，但對(duì)于急性心肌梗死患者來(lái)說(shuō)，進(jìn)行冠脈介入治療，也就是放支架，是最有效地減少患者死亡的一個(gè)手段。

那么，心臟支架是什么樣的？小編就以元王心臟支架有限元分析案例來(lái)帶你認(rèn)識(shí)心臟支架。

心臟支架又稱冠狀動(dòng)脈支架，是心臟介入手術(shù)中常用的醫(yī)療器械，具有疏通動(dòng)脈血管的作用。主要材料為不銹鋼、鎳鈦合金或鈷鉻合金。

為評(píng)估心臟支架的性能，需要運(yùn)用CAE仿真技術(shù)對(duì)心臟支架進(jìn)行壓握擴(kuò)張以及靜壓和疲勞分析。

心臟支架有限元分析特別需要關(guān)注的是壓握應(yīng)力、壓握回彈應(yīng)力、擴(kuò)張應(yīng)力分布、擴(kuò)張回彈應(yīng)力、靜壓載荷作用下應(yīng)力分布，擴(kuò)張回彈率和軸向短縮率，以及在血管脈動(dòng)載荷作用下支架疲勞壽命。

用薄殼來(lái)作為壓握工具模擬球囊壓握和擴(kuò)張，首先對(duì)壓握工具施加徑向位移，對(duì)支架在徑向方向上壓握0.5R（R為支架原始半徑），再撤去壓握工具，讓支架自由回彈，然后對(duì)球囊施加徑向向外方向位移，達(dá)到擴(kuò)張尺寸2R，去除球囊，模擬擴(kuò)張回彈，最后在支架外表面施加20Pa壓強(qiáng)，模擬已經(jīng)膨脹的支架需要受到來(lái)自于血管壁和心臟機(jī)械收縮的力的影響。

通過(guò)壓握或擴(kuò)張時(shí)部件截面變化和軸向長(zhǎng)度變化，可以了解支架的回彈率和軸向收縮率。同時(shí)可以運(yùn)用CAE仿真對(duì)心臟支架各種工況下的應(yīng)力進(jìn)行分析，并了解支架最低壽命及區(qū)域，作為設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

我們用一個(gè)實(shí)例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明

支架基礎(chǔ)

支架是什么呢？支架是一種微小的網(wǎng)狀裝置，放置在動(dòng)脈、血管或其他管道內(nèi)，保持結(jié)構(gòu)擴(kuò)張以疏通血管。

支架用于哪里？通常用于治療由于體內(nèi)血管阻塞或損傷引發(fā)的疾病，包括冠狀動(dòng)脈疾病、外周動(dòng)脈疾病、頸動(dòng)脈疾病、腎血管性高血壓，以及腹主動(dòng)脈瘤等。其他使用支架的還有保持?jǐn)U張阻塞或受損的輸尿管、保持膽汁在阻塞的膽管內(nèi)流動(dòng)、幫助氣道阻塞的病人呼吸等。

支架是如何工作？收縮的支架通過(guò)一個(gè)小切口穿入，安裝到受影響的導(dǎo)管內(nèi)。支架擴(kuò)張使導(dǎo)管變寬，并提供支撐以防止導(dǎo)管變窄。

通常用的支架有兩大類型：1）氣球脹開(kāi)支架：其由由塑性變形的材料制成，通過(guò)氣球脹開(kāi)進(jìn)而擴(kuò)張，氣球放氣后，除了稍微回彈，支架仍保持?jǐn)U張狀態(tài)。2）自展式支架：由具有較大彈性應(yīng)變的材料制成，消除約束傳遞系統(tǒng)后，支架通過(guò)彈性變形恢復(fù)至擴(kuò)張狀態(tài)。

支架使用的材料：

1）不銹鋼廣泛應(yīng)用于氣球脹開(kāi)支架；氣球脹開(kāi)支架的替代材料有鉭、鉑合金、鈮合金、鈷合金等；

2）鎳鈦諾超彈性合金用于自展式支架；

3）較為前沿的新型支架材料有形狀記憶聚合物，生物可降解聚合物和生物可降解金屬。

支架的制造加工工藝：

1）大多數(shù)冠狀動(dòng)脈支架是由激光切割制造，激光束切割出復(fù)雜的設(shè)計(jì)形態(tài)；大多數(shù)支架是從金屬管切割而來(lái)，有些是由金屬板切割，之后卷成管狀；

2）其他制造方法包括卷繞、編織、針織、水切割和光化學(xué)蝕刻等。

支架的幾何設(shè)計(jì)有連續(xù)環(huán)、單獨(dú)環(huán)和編織等。其中，占據(jù)大部分市場(chǎng)的連續(xù)環(huán)是由一系列可擴(kuò)展的Z形或S形單元組成；單獨(dú)環(huán)是由單個(gè)Z形或S形環(huán)構(gòu)成，用于支撐移植物；而編織設(shè)計(jì)，具有卓越的覆蓋性能，但在擴(kuò)張期間會(huì)大幅度縮短。

1、問(wèn)題描述：

心腦血管疾病是人類生命健康的一大殺手。目前心腦血管疾病主要采用血管支架植入血管，以達(dá)到支撐狹窄閉塞段血管，減少血管彈性回縮及再塑形，保持管腔血流通暢。而現(xiàn)行的支架較高的在狹窄率成為其進(jìn)一步發(fā)展的最大障礙。因此對(duì)于血管支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為提高支架在工作中的穩(wěn)定性，使用壽命，保證術(shù)后不復(fù)發(fā)提供技術(shù)保證。

2、主要結(jié)果：

血管支架在工作中的應(yīng)力、應(yīng)變；優(yōu)化設(shè)計(jì)后的血管支架結(jié)構(gòu)參數(shù)；血管支架的使用壽命預(yù)測(cè)。

案例：動(dòng)脈粥樣硬化所用的支架

動(dòng)脈粥樣硬化是一種常見(jiàn)的心血管疾病，患者的動(dòng)脈會(huì)因斑塊積聚而變得十分狹窄。動(dòng)脈粥樣硬化的一種常見(jiàn)治療方法是經(jīng)皮腔內(nèi)血管成形術(shù)，這種手術(shù)可以清除或抑制患者冠狀動(dòng)脈中積聚的多余斑塊,在一些情況下醫(yī)生在進(jìn)行治療時(shí)，會(huì)在阻塞的動(dòng)脈中插入一個(gè)小小的金屬絲網(wǎng)狀管，即所謂的支架。

支架到達(dá)預(yù)定位置后，利用了血管成形術(shù)的球囊，將自身固定在動(dòng)脈的堵塞部位，可以隨著球囊一起膨脹，從而卡住擴(kuò)張部位。球囊放氣后取出，只留下支架支撐動(dòng)脈。膨脹的支架發(fā)揮了類似于腳手架的功能，它有助于血管保持暢通，促進(jìn)血液正常流動(dòng)。如果支架端部的擴(kuò)張程度超過(guò)中間段（這類易發(fā)生的缺陷被稱作 dogboning效應(yīng)），動(dòng)脈可能遭受?chē)?yán)重的損傷。另一個(gè)潛在問(wèn)題是前縮，它導(dǎo)致支架難以放置，而且可能損傷動(dòng)脈。

為了順利進(jìn)行手術(shù)，并盡量減少潛在的健康危害，支架設(shè)計(jì)必須經(jīng)過(guò)全面的研究和優(yōu)化，CAE仿真能夠有效幫助進(jìn)行支架設(shè)計(jì)的評(píng)估工作。下面有道科技為大家介紹支架在手術(shù)過(guò)程仿真分析。

以某支架模型為例進(jìn)行分析，支架的原始直徑為 0.74 mm，擴(kuò)張后，中段的直徑為2 mm。此模型分析了管的內(nèi)表面受徑向向外的壓力后，致使不銹鋼支架膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力和形變。（壓力表示球囊擴(kuò)張。）因?yàn)橹Ъ軒缀谓Y(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，所以我們可以將模型的尺寸減小為原始幾何結(jié)果的1/24，從而最小化仿真的計(jì)算成本。

完整的支架幾何結(jié)構(gòu)。在本例中，簡(jiǎn)化的幾何結(jié)構(gòu)由深色的網(wǎng)格區(qū)域表示。

非線性結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析結(jié)果

首先，我們觀察一下支架在手術(shù)過(guò)程中經(jīng)受的各種應(yīng)力和應(yīng)變。下方左圖顯示了球囊膨脹最大時(shí)支架中的應(yīng)力分布，右圖為球囊放氣后支架中的殘余應(yīng)力。不出所料，球囊放氣后，支架中的應(yīng)力減少。

接著，分析在球囊膨脹過(guò)程中，dogboning效應(yīng)（藍(lán)色）和前縮（綠色）產(chǎn)生的影響與壓力之間的關(guān)系。根據(jù)繪圖，我們能夠排查出支架設(shè)計(jì)中潛在的不利因素，并優(yōu)化其性能。

支架中的 dogboning 效應(yīng)和前縮效應(yīng)與血管成形術(shù)球囊壓力之間的關(guān)系。

我們分析了當(dāng) dogboning效應(yīng)最大時(shí)管內(nèi)的有效塑性應(yīng)變。dogboning效應(yīng)最大時(shí)的有效塑性應(yīng)變和形變，峰值約為25％。至于回縮率參數(shù)，縱向回縮率約為-0.9％，遠(yuǎn)端徑向回縮率約為0.4％，中心徑向回縮率約為0.7％。根據(jù)這些參數(shù)，我們可以詳細(xì)推測(cè)出膨脹的球囊被移除時(shí)支架的性能表現(xiàn)。

dogboning 效應(yīng)最大時(shí)的有效塑性應(yīng)變和形變。峰值約為 25％。

以上案例利用有限元分析知識(shí)，醫(yī)療研究人員能夠有效改進(jìn)支架的設(shè)計(jì)，并優(yōu)化其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的應(yīng)用。除了外科手術(shù)過(guò)程中所需的醫(yī)療設(shè)備，有限元分析技術(shù)還在生物醫(yī)療其他領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并為人們的生命健康提供更多幫助。有道科技作為國(guó)內(nèi)有限元分析技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的佼佼者，期待與更您的合作，為醫(yī)療行業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持。