2020年11月5日，國家醫(yī)保局在天津完成首次國家組織高值醫(yī)用耗材冠脈支架集中帶量采購工作。通過公開競價，心臟支架的價格從均價1.3萬元左右降至700元左右，這種斷崖式降價無疑是病患們的福音。

《中國心血管健康與疾病報告2019》顯示，目前我國心血管病患病人數達3.3億；從2009年到2019年，中國冠心病手術量從23萬例發(fā)展到超過100萬例， 年增長速度10%—20%。

而心臟支架看似簡單，但對于急性心肌梗死患者來說，進行冠脈介入治療，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帶你認識心臟支架。

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

為評估心臟支架的性能，需要運用CAE仿真技術對心臟支架進行壓握擴張以及靜壓和疲勞分析。

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

用薄殼來作為壓握工具模擬球囊壓握和擴張，首先對壓握工具施加徑向位移，對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，然后對球囊施加徑向向外方向位移，達到擴張尺寸2R，去除球囊，模擬擴張回彈，最后在支架外表面施加20Pa壓強，模擬已經膨脹的支架需要受到來自于血管壁和心臟機械收縮的力的影響。

通過壓握或擴張時部件截面變化和軸向長度變化，可以了解支架的回彈率和軸向收縮率。同時可以運用CAE仿真對心臟支架各種工況下的應力進行分析，并了解支架最低壽命及區(qū)域，作為設計優(yōu)化的關鍵數據支撐。

我們用一個實例來詳細說明

支架基礎

支架是什么呢？支架是一種微小的網狀裝置，放置在動脈、血管或其他管道內，保持結構擴張以疏通血管。

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

支架是如何工作？收縮的支架通過一個小切口穿入，安裝到受影響的導管內。支架擴張使導管變寬，并提供支撐以防止導管變窄。

通常用的支架有兩大類型：1）氣球脹開支架：其由由塑性變形的材料制成，通過氣球脹開進而擴張，氣球放氣后，除了稍微回彈，支架仍保持擴張狀態(tài)。2）自展式支架：由具有較大彈性應變的材料制成，消除約束傳遞系統(tǒng)后，支架通過彈性變形恢復至擴張狀態(tài)。

支架使用的材料：

1）不銹鋼廣泛應用于氣球脹開支架；氣球脹開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）大多數冠狀動脈支架是由激光切割制造，激光束切割出復雜的設計形態(tài)；大多數支架是從金屬管切割而來，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、水切割和光化學蝕刻等。

支架的幾何設計有連續(xù)環(huán)、單獨環(huán)和編織等。其中，占據大部分市場的連續(xù)環(huán)是由一系列可擴展的Z形或S形單元組成；單獨環(huán)是由單個Z形或S形環(huán)構成，用于支撐移植物；而編織設計，具有卓越的覆蓋性能，但在擴張期間會大幅度縮短。

1、問題描述：

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。而現行的支架較高的在狹窄率成為其進一步發(fā)展的最大障礙。因此對于血管支架進行結構優(yōu)化設計，為提高支架在工作中的穩(wěn)定性，使用壽命，保證術后不復發(fā)提供技術保證。

2、主要結果：

血管支架在工作中的應力、應變；優(yōu)化設計后的血管支架結構參數；血管支架的使用壽命預測。

案例：動脈粥樣硬化所用的支架

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

支架到達預定位置后，利用了血管成形術的球囊，將自身固定在動脈的堵塞部位，可以隨著球囊一起膨脹，從而卡住擴張部位。球囊放氣后取出，只留下支架支撐動脈。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，促進血液正常流動。如果支架端部的擴張程度超過中間段（這類易發(fā)生的缺陷被稱作 dogboning效應），動脈可能遭受嚴重的損傷。另一個潛在問題是前縮，它導致支架難以放置，而且可能損傷動脈。

為了順利進行手術，并盡量減少潛在的健康危害，支架設計必須經過全面的研究和優(yōu)化，CAE仿真能夠有效幫助進行支架設計的評估工作。下面有道科技為大家介紹支架在手術過程仿真分析。

以某支架模型為例進行分析，支架的原始直徑為 0.74 mm，擴張后，中段的直徑為2 mm。此模型分析了管的內表面受徑向向外的壓力后，致使不銹鋼支架膨脹而產生的應力和形變。（壓力表示球囊擴張。）因為支架幾何結構具有對稱性，所以我們可以將模型的尺寸減小為原始幾何結果的1/24，從而最小化仿真的計算成本。

完整的支架幾何結構。在本例中，簡化的幾何結構由深色的網格區(qū)域表示。

非線性結構力學的分析結果

首先，我們觀察一下支架在手術過程中經受的各種應力和應變。下方左圖顯示了球囊膨脹最大時支架中的應力分布，右圖為球囊放氣后支架中的殘余應力。不出所料，球囊放氣后，支架中的應力減少。

接著，分析在球囊膨脹過程中，dogboning效應（藍色）和前縮（綠色）產生的影響與壓力之間的關系。根據繪圖，我們能夠排查出支架設計中潛在的不利因素，并優(yōu)化其性能。

支架中的 dogboning 效應和前縮效應與血管成形術球囊壓力之間的關系。

我們分析了當 dogboning效應最大時管內的有效塑性應變。dogboning效應最大時的有效塑性應變和形變，峰值約為25％。至于回縮率參數，縱向回縮率約為-0.9％，遠端徑向回縮率約為0.4％，中心徑向回縮率約為0.7％。根據這些參數，我們可以詳細推測出膨脹的球囊被移除時支架的性能表現。

dogboning 效應最大時的有效塑性應變和形變。峰值約為 25％。

以上案例利用有限元分析知識，醫(yī)療研究人員能夠有效改進支架的設計，并優(yōu)化其在生物醫(yī)學應用中的應用。除了外科手術過程中所需的醫(yī)療設備，有限元分析技術還在生物醫(yī)療其他領域廣泛應用，并為人們的生命健康提供更多幫助。有道科技作為國內有限元分析技術應用領域的佼佼者，期待與更您的合作，為醫(yī)療行業(yè)發(fā)展提供技術支持。

部分素材來自：江丙云?iCAETube