你的位置:首页 > 行业动态 > 行业资讯

血管支架的压握( crimping)和释放( expansion)过程及其疲劳分析

2025-7-4 9:54:07      点击:

血管支架的压握( crimping)和释放( expansion)过程及其疲劳分析是支架设计和性能评估的关键环节,涉及复杂的力学行为和生物医学工程问题。以下是有限元分析( FEA)在此领域的应用要点和流程:


1. 压握与释放过程模拟

1.1 几何与材料模型

  • 几何模型:基于支架设计(如开环、闭环结构)建立参数化三维模型,需考虑支架丝厚度、连接点等细节。

  • 材料模型

    • 超弹性材料(如镍钛合金 Nitinol):使用 Auricchio 或 Shape Memory Alloy 本构模型。

    • 塑性材料(如不锈钢、钴铬合金):定义塑性硬化准则(如各向同性/随动硬化)。

    • 聚合物支架:考虑粘弹性或超弹性行为。

1.2 边界条件与载荷

  • 压握过程:模拟支架被球囊或机械装置径向压缩至输送导管内(直径减少 50%~90%),需定义接触(支架-压握工具)和摩擦(μ≈0.1~0.2)。

  • 释放过程

    • 自扩张支架:通过撤除外约束模拟弹性恢复,需考虑血管壁的约束。

    • 球囊扩张支架:施加径向位移载荷模拟球囊膨胀。


1.3 关键输出

  • 应力/应变分布(重点关注高应力区域如连接点)。

  • 塑性变形(永久变形量)。

  • 回弹率(释放后的直径恢复率)。

2. 疲劳分析

支架在体内承受周期性载荷(如心跳导致的血管脉动),需评估其抗疲劳性能(通常要求 10 年寿命,约 4×10⁸ 循环)。

2.1 疲劳载荷条件

  • 脉动压力:典型幅值 80~120 mmHg(约 10~16 kPa),频率 1~2 Hz。

  • 多轴载荷:可能叠加弯曲、扭转(如冠状动脉支架)。

2.2 疲劳分析方法

  • 应力-寿命(S-N)法

    • 适用于高周疲劳,需材料 S-N 曲线(实验获取)。

    • 修正因素:表面粗糙度、尺寸效应、平均应力(Goodman/Gerber 修正)。

  • 应变-寿命(ε-N)法

    • 适用于局部塑性变形(如 Nitinol 支架)。

    • 使用 Coffin-Manson 方程:Δε/2 = σ_f'/E (2N)^b + ε_f' (2N)^c。

  • 损伤累积理论(如 Miner’s Rule)。

2.3 有限元实现

  1. 准静态分析:先模拟压握-释放过程,获取残余应力场。

  2. 周期性载荷分析

    • 施加脉动压力载荷(幅值 ΔP)。

    • 提取关键节点的应力/应变幅值(Δσ/Δε)。

  3. 疲劳寿命预测

    • 结合材料疲劳参数(如 Nitinol 的 ε_f'≈0.1~0.3)计算寿命。

    • 安全因子评估(通常要求 N≥10⁸ 循环)。


3. 关键挑战与解决方案

  • 材料非线性:使用增量迭代法(如 Newton-Raphson)处理大变形。

  • 接触收敛问题:调整罚函数参数或使用对称接触算法。

  • 计算效率:采用子模型技术(Submodeling)聚焦高应力区域。

  • 实验验证:通过加速疲劳试验(如 50 Hz 测试)对比 FEA 结果。

4. 常用软件

  • ABAQUS:适用于超弹性/塑性材料和非线性接触。

  • ANSYS:提供 Fatigue Tool 模块。

  • COMSOL:多物理场耦合分析(如血流-支架相互作用)。

  • LS-DYNA:显式动力学分析(适用于快速压握过程)。

5. 相关标准与文献

  • ISO 25539-2:心血管植入物-血管支架的标准。

  • ASTM F2477:血管支架疲劳测试指南。

  • 文献参考

    • Auricchio et al. (2016) 对 Nitinol 支架的本构模型研究。

    • Wei et al. (2020) 关于多轴疲劳的有限元方法。

通过有限元分析,可优化支架设计(如减少应力集中)、预测疲劳寿命,并降低临床试验风险。需注意模型假设(如忽略血流剪切力)与实验数据的校准。