上?？档氯R企業(yè)發(fā)展集團(tuán)醫(yī)療器械有限公司(上海,201803)

近10年來冠脈支架已經(jīng)在介入手術(shù)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，它可以獲得較大的內(nèi)腔尺寸、比較好的長期開放性和臨床效果，但是支架植入后再狹窄率仍超過20%[1]。主要原因在于：支架的應(yīng)用中一開始就受到"大一點好"這一思想的影響，希望通過大的支架即刻膨脹來獲得好的應(yīng)用效果，不太注意支架設(shè)計和材料的影響[2]。但是大量的動物實驗和臨床應(yīng)用均表明，不同的支架設(shè)計之間確實存在差別[3-6]。其主要原因在于支架的植入會造成血栓及血管損傷[7]，而支架設(shè)計不同所造成的損傷也不同，從而能夠影響再狹窄[8]。因此，支架設(shè)計越來越受到重視。

有限元法(finite element method ,FEM)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時是用來解決航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)問題，后期逐步擴(kuò)展到了熱傳遞、流體力學(xué)、運(yùn)動學(xué)以及電磁場等方面。自二十世紀(jì)七十年代被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以來，顯示出了極大的優(yōu)越性，目前已經(jīng)被應(yīng)用到心動脈支架領(lǐng)域。本文綜述了有限元技術(shù)在支架設(shè)計中的研究進(jìn)展，并提出了支架優(yōu)化設(shè)計的方向。

1 有限元法在支架設(shè)計中的應(yīng)用

復(fù)雜形狀是很難通過常規(guī)的方法獲得其分析結(jié)果，因此引入有限元之類的數(shù)字化分析方法是非常必要的。有限元分析法通過網(wǎng)格化將復(fù)雜的區(qū)域劃分成相互連接的小而簡單的區(qū)域(單元)，通過單元之間的應(yīng)力、應(yīng)變傳遞可以獲得整體的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果，從而可以方便的對復(fù)雜的機(jī)械問題進(jìn)行求解[9]。換句話說，有限元技術(shù)首先是對每一個小的單元求解，然后將其正確組合以獲得整體的求解結(jié)果，而不是直接對整體求解。有限元分析中的網(wǎng)格化、生成單元及相互連接的節(jié)點、定義邊界條件被稱為問題的離散化。將材料特性賦予有限元模型，施加載荷并約束邊界條件，就可進(jìn)行有限元的分析計算。通過后處理程序，即可獲得應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果，從而可以對各種性能進(jìn)行預(yù)測及分析。

目前，全球使用的支架設(shè)計超過100種，它們在支架類型、尺寸、網(wǎng)孔形狀、網(wǎng)孔間連接等方面均存在較大差別，且由于支架本身形狀的復(fù)雜性以及與血管或病變接觸的復(fù)雜性，常規(guī)的方法也很難獲得所需要的結(jié)果。因此，有限元技術(shù)被認(rèn)為是進(jìn)行支架設(shè)計成本最低，且最適合的工具。利用有限元技術(shù)可以模擬支架膨脹[10]、彈性回縮[11]、球囊-支架接觸分析[12]、支架-血管接觸分析[13]、支架-斑塊-血管接觸分析[14]等，從而確定支架、血管及斑塊的應(yīng)力情況以及支架對血流情況的影響等。它可以很方便的改變支架形狀進(jìn)行重新分析，以比較不同設(shè)計之間的區(qū)別，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

目前支架的主要材料有316L不銹鋼與 NiTi合金二種。316L的力學(xué)行為比較常見，有限元技術(shù)可以方便的對其性能進(jìn)行模擬；而NiTi合金由于其加載過程中應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)奧氏體與馬氏體兩相混合的過渡區(qū)，性能發(fā)生較大變化，其卸載曲線既不是沿著加載曲線，也不是沿著傳統(tǒng)的斜率為彈性模量的卸載曲線，而是存在一定的滯后區(qū)(如圖1所示)，這就為有限元模擬帶來很大的困難。隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)材料模型的不斷完善，使得對鎳鈦合金材料的模擬成為可能。目前能夠模擬NiTi合金的有限元軟件主要有ABAQUS (Hibbit Karlsson & Sorenses Inc.)與ANSYS (ANSYS.Inc.)。有限元分析中常用的材料常數(shù)如表1所示(由于各個公司的球囊性質(zhì)差別較大，其參數(shù)未列入表中)。

表1 有限元分析中的材料常數(shù)Tab.1 Parameters of materials used in FEM

圖1 NiTi與316L的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-Strain Curves of NiTi and 316L

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于支架的變形量較大涉及到塑性變形(材料非線性)，另外，球囊與支架以及支架與斑塊或血管之間的接觸(狀態(tài)非線性)均屬于結(jié)構(gòu)非線性領(lǐng)域，有限元技術(shù)對于結(jié)構(gòu)非線性問題具有較強(qiáng)的處理能力，為支架分析及優(yōu)化提供了一種非常方便的工具。但是需要注意的是：并不是所有的有限元軟件均適合進(jìn)行支架的非線性分析，由于支架外形及接觸環(huán)境的復(fù)雜性，對軟件及處理器的要求均較高。目前在支架的有限元分析中被廣泛采用的是ABAQUS、ANSYS與ADINA(ADINA R & D Inc.)等。

1 Bestent支架; 2 Palmaz-Schatz支架; 3 Crown支架; 4 Palmaz-Schatz II支架; 5 NIR支架; 6 Micro-II支架; 7 Cardiocoil支架; 8 Wiktor 支架1 Bestent Stent; 2 Palmaz-Schatz Stent; 3 Crown Stent; 4 Palmaz-Schatz II Stent； 5 NIR Stent;6 Micro-II Stent;7 Cardiocoil Stent;8 Wiktor Stent

首先，需要明確的是支架設(shè)計的不同包括多種因素間的差別，而能對其機(jī)械性能產(chǎn)生較大影響的主要包括材料、尺寸、外形等。圖2總結(jié)了8種不同設(shè)計支架的徑向抗力與直徑變化之間的關(guān)系曲線[15]，可以看出，支架設(shè)計對其性能具有較大影響。而有限元技術(shù)通過改變模型數(shù)據(jù)與參量能夠非常方便的對上述因素的影響進(jìn)行分析，因此，有限元技術(shù)正在心動脈支架領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是目前的有限元分析還相對簡單，主要以支架自身的膨脹及回縮等性能為主。如Francesco等[11]利用有限元法對Palmaz-Schatz支架進(jìn)行的分析表明：金屬所占的面積比以及支架壁厚均對支架徑向、軸向回縮以及變形均勻性有影響；低的面積比具有較高的徑向和軸向回縮，但是變形均勻性較好；減少壁厚可以減少膨脹壓，但是軸向回縮和變形不均勻性增加。Frederique等[16]比較了管狀支架(Palmaz-Schatz)與纏繞支架(Freedom)之間的差別，結(jié)果表明：管狀支架的膨脹壓與徑向回縮要明顯高于纏繞型支架；通過減少管狀支架壁厚可以較大的提高其柔順性。但是Joseph 等[17]通過動物實驗卻發(fā)現(xiàn)纏繞型支架(Gianturco-Roubin II)的徑向回縮要明顯高于另外三種管狀支架(Palmaz-Schatz，Multilink，NIR)，同樣Paul等[18]通過對23種不同支架的模擬測試也得出：纏繞型支架的徑向回縮要高于管狀支架。造成這種矛盾的主要原因在于：Frederique等的有限元模擬中僅限于支架本身，未加入血管的作用，因為血管要對支架產(chǎn)生相反的徑向壓應(yīng)力，如果支架徑向支持力差的話必然產(chǎn)生較大的徑向回縮。而Regis Rieu等[19]通過實驗研究，F(xiàn)rederique等通過有限元模擬均已得出，纏繞型支架的徑向支持力要明顯低于管狀支架。因此，其有限元分析的結(jié)果是可以理解的。

David等[20]利用有限元法模擬了不同加載速度下支架的膨脹，結(jié)果顯示：過大與過小的加載速度均會產(chǎn)生不利的結(jié)果。小的加載速度導(dǎo)致支架變形不均勻，產(chǎn)生明顯的彎曲；大的加載速度對應(yīng)大的支架應(yīng)。故建議采用中等的加載速度，這對于臨床使用具有一定的指導(dǎo)意義，但是目前還沒有相關(guān)的實驗驗證，并且在其模擬中載荷是直接加到支架內(nèi)表面的，未考慮球囊的作用。因此，還有必要增加球囊-支架的接觸分析，以提高有限元模擬的仿真性。

在球囊-支架/血管接觸分析方面，已經(jīng)出現(xiàn)了有限元的相關(guān)報道。如Campbell等[21]模擬了支架膨脹過程中球囊與血管的相互作用，認(rèn)為高的膨脹壓、大的支架網(wǎng)孔、軟的球囊均會導(dǎo)致球囊擠出，將導(dǎo)致大的球囊-血管接觸面積與接觸應(yīng)力，必然造成較大的血管損傷。通過對兩種不同設(shè)計支架的比較，Campbell等提出：波紋環(huán)狀網(wǎng)孔設(shè)計將比槽狀網(wǎng)孔設(shè)計產(chǎn)生更小的內(nèi)膜損傷與再狹窄， 這與其動物實驗的結(jié)果是一致的。

另外，Kwek等[12]利用有限元法模擬了球囊與支架的相互作用，通過對兩種不同壁厚的波紋環(huán)狀S-Stent的比較發(fā)現(xiàn)，厚壁支架膨脹過程中等效塑性變形與軸向回縮均有所下降。并認(rèn)為產(chǎn)生這種結(jié)果是有益的，一方面，等效塑性變形減小可以減少球囊膨脹壓，造成的血管損傷也相應(yīng)減少；另一方面，軸向回縮減少可以增加定位的準(zhǔn)確性。但是Adnan等[22]通過對651例不同壁厚的Multi-Link支架的術(shù)后再狹窄分析發(fā)現(xiàn)，薄壁支架的平均再狹窄(15%)明顯小于厚壁支架(25.8%)。而Joseph等[23]通過對三種不同設(shè)計支架的組織切片結(jié)果卻顯示，支架壁厚對內(nèi)膜增生影響不大。造成這種差別的原因可能在于支架類型與壁厚范圍的不同，因為Adnan等認(rèn)為只有壁厚≤75um時，壁厚的影響才會變得明顯。并且Kwek等的有限元分析中僅涉及球囊與支架間的相互作用，通過支架塑性變形來推論血管損傷，缺乏準(zhǔn)確性，因此，有限元分析中應(yīng)增加支架與血管的相互作用，以提高其仿真性。

Berry等[13]利用有限元法模擬了支架與血管的相互作用，并結(jié)合體外與體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，與血管柔順性相匹配的軟支架可以減少血液動力學(xué)紊亂，并能減少血管應(yīng)力。但是需要注意的是，軟的支架在血管壓應(yīng)力的作用下可能對應(yīng)較大的彈性回縮，并且支持斑塊的能力也將受到限制。因此，軟支架的優(yōu)點與應(yīng)用仍需進(jìn)一步探討。

此外，Tan等[24]首次利用有限元法分析了斑塊與支架間的相互作用，發(fā)現(xiàn)在斑塊作用下兩種支架(Palmaz-Schatz，F(xiàn)reedom)呈現(xiàn)出不同的變形方式，提出了影響支架膨脹的幾種因素，并指出過大與過小的膨脹壓都是不利的。Dumoulin等[25]利用有限元法分析了材料缺陷對支架性能的影響，并進(jìn)行了疲勞壽命的預(yù)測。James等[26]研究了支架對血流的影響，發(fā)現(xiàn)支架植入會造成渦流與流動停滯，從而促進(jìn)血小板聚集，認(rèn)為支架設(shè)計對此具有較大影響。這都為有限元技術(shù)在心動脈支架領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，開辟了更加廣闊的空間。

總之，有限元技術(shù)在心動脈支架領(lǐng)域已經(jīng)獲得了一定的應(yīng)用，支架植入不僅會影響血管內(nèi)應(yīng)力，造成血管損傷，而且會影響血流情況，促進(jìn)再狹窄。因此，支架的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)當(dāng)從固體力學(xué)、流體力學(xué)兩個方面同時進(jìn)行，單純考慮某一方面是不全面的。但是，目前支架的有限元分析還未能同時兼顧這兩方面的內(nèi)容，且尚未形成完全統(tǒng)一的結(jié)論，其仿真性還有待于進(jìn)一步提高。

3 支架優(yōu)化設(shè)計方向

支架的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)當(dāng)結(jié)合臨床及動物實驗的結(jié)果進(jìn)行，對于可能造成再狹窄的各種可能因素進(jìn)行分析。利用有限元技術(shù)可以方便的改變支架設(shè)計，并進(jìn)行對比分析，這可以極大的減少設(shè)計成本與開發(fā)周期，具有其它方法所無法替代的優(yōu)點，這對于理想支架的開發(fā)是很有價值的。David等[27]提出了理想支架應(yīng)具有的特點，而有限元技術(shù)能對其多種性能進(jìn)行預(yù)測及模擬，具體應(yīng)用如表2所示。

表2 有限元技術(shù)在理想支架設(shè)計中的應(yīng)用Tab.2 Use of FEM in the design of ideal stent

但是，目前的有限元分析還處于相對簡單的階段，大部分報道僅限于支架本身的機(jī)械性能，而未考慮球囊、血管、斑塊等的作用。要實現(xiàn)真正意義上的有限元仿真模擬，應(yīng)當(dāng)盡可能的將上述因素考慮在內(nèi)。綜合有限元技術(shù)在心動脈支架領(lǐng)域的應(yīng)用情況，作者提出了支架優(yōu)化設(shè)計的方向：(1)控制變形均勻性，以減少支架不均勻變形對血管的損傷；(2)保證充分變形的基礎(chǔ)上，盡量減少球囊膨脹壓，以減少由于球囊膨脹與支架刺入對血管的損傷；(3)減少徑向與軸向的彈性回縮，一方面可以獲得可能大的管腔直徑，以保證血流量；另一方面可以減少短縮對支架定位帶來的不利影響；(4)足夠的柔順性，保證支架順利通過血管到達(dá)病變部位，并減少對血流的影響；(5)足夠的徑向支持力，使得支架能夠抵抗血管與斑塊對支架的壓應(yīng)力，防止支架回縮與崩潰；(6)減少渦流與網(wǎng)孔間的流動停滯，以減少血小板聚集。

可以預(yù)見，有限元技術(shù)在心動脈支架領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，不久的將來，有限元技術(shù)將成為評價支架效果的有效工具，在其指導(dǎo)下還會出現(xiàn)新的支架體系。

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