CAE心血管支架模拟.docx
心血管支架模拟1介绍下图一为心血管支架作用原理示意图，心血管支架用以张开硬化的动脉。BeforeprocedureAfterprocedure图11心血管支架作用原理示意图支架的成功在很大程度上取决于如何将支架在动脉中支撑起来。在支架设计过程和临床手术过程，利用有限元分析技术作为工具进行支架动脉相互作用研究已经成为一个公认的趋势。在支架支撑的过程中涉及到非常多的非线性技术，如生物组织特性、大动脉壁变形、支架和动脉壁的滑动接触。例题中均会涉及到这些。2问题描述建立的美敦力冠状动脉支架和严重阻塞的冠状动脉模型。动脉被简化为两层的直圆柱体，用一层代表动脉壁和另一个代表钙化斑块。下图二为动脉和支架的尺寸。图1.2动脉与支架尺寸RaOmerarteryradius)=2.1mmRs(stentradius)=1.75mmRP(innerp1aqueradius)=1.6mmRO(outerarteryradius)=2.6mm模拟支架置入术分为三个步骤：扩大动脉升高压力（球囊血管成形术）。放置的支架。收缩动脉，使用平均血压和使得支架和动脉壁接触。3模型3.1 支架模型采用BeamI89单元建立支架模型并划分了1760个网格，如图三所示。图1.3心血管支架模型梁单元模型的计算效率优于实体单元。支架为3.5毫米的直径,长度15毫米。构建支架的金属丝是圆形截面，外直径为0.1毫米。银钛合金材料是常用作支架材料，银钛合金的非线性材料行为需要单独讨论。因此对于这个问题，材料采用线弹性的3161不锈钢材料来代替。3.2 动脉和斑块模型采用实体单元模拟动脉血管和斑块，如图所示:动脉层共划分了9000个单元，采用的是SO1JDI85单元，采用增强应变公式(KEYOPT(2)=3)和混合U-P公式(KEYOPT(6)=1),这是由于生物材料为不可压缩材料，采用上述公式可以克服体积锁定。钙化层采用Se)IJD185单元，有9000个网格。单元采用全积分算法，材料采用线性材料。动脉和钙化层之间采用共节点的方式连接。基于圣维南原理，动脉和钙化层都作了延长，减少边界对计算结果的影响。接近边界的地方采用密的网格，增强收敛性。3.3 支架和斑块的接触模型支架和动脉之间的接触采用线面接触类型，支架采用CONTAC177接触单元，接触方法采用拉格朗日乘子法，接触行为采用标准接触行为，打开步长二分，动脉内部面采用TARGE170单元，摩擦系数为Oo4材料特性材料特性如下表所示：表11材料特性1inearE1asticMooney-RivIinHypereIasticEX(Nmm2)PRXYC1OCO1C20C11Stent2.00E+050.3Artery1.89E-022.75E-035.90E-018.57E-01P1aque2.190.495边界条件5.1 动脉的边界条件在动脉的近端和远端使用MPC接触方式，使用CONTA174,设置KEYOPT(2)=2,KEYOPT(4)=1,KEYOPT(12)=5。MPC控制点(TARGE170单元）约束6个自由度，允许动脉径向扩展，同时约束刚体位移。G图1.6动脉边界条件5.2 支架的边界条件在支架的近端和远端使用MPC约束所有位移。图1.7支架边界条件5.3 动脉壁的载荷在动脉内壁上施加面压力载荷，球囊扩展压力(0.1Nmm2)为第一个载荷步，血管压力为第四个载荷步(0.0133Nmm2)o图1.8动脉壁压力载荷6分析控制条件米用静力学计算方法，打开大变形开关，打开CNCHECK开关获取更加好的接触收敛参数。载荷步一：在这个载荷步中，在动脉的内部表面施加O1MPA的压力，内部支架会有充分的径向变形。支架的接触单元(CONTA177)在这个载荷步中被杀死以便去掉支架的影响。这个载荷步分成20个子步计算。NCDA1SCWTICN图1.9载荷步一后动脉截面视图载荷步二、载荷步三：在载荷步二和载荷步三中均采用三个子步，且支架的接触单元被激活。载荷步四：在第四个载荷步中，血压下降到0.0133兆帕，这个血压是正常情况的血压。在载荷减少的这个过程中，动脉和支架开始接触。在这个载荷步中初始时间步为200,最大载荷子步为2000,最小子步为20,打开非线性稳定控制帮助收敛(STAB11IZE,CONST.ENERGY.。)。7结果和讨论合适的单元技术和求解选项可以成功求解血管支架接触的非线性问题，后处理中主要考察的是应力和支架接触，从后处理中可以看到接触后支架的变形，血管的应力等信息。如图所示是支架放置前和放置后的动脉壁情况。(a)变形7位移MTA1scuvnE1EXNTSCWTKN支架回缩变形DISP1ACEMN图1.10支架放置前后的计算结果模拟结果和公开发表的文献中的结果非常相近。通过有限元分析能够快速得到支架动脉相互作用的信息。有限元计算不但可以用作开发先进的支架，而且还可以为临床前病人具体应用进行评估。8后续建议对于类似于动脉支架接触分析这种类型的问题，建议如下：线面接触相对于面面接触来说计算时间更短，结果不相上下。MPC约束提供了精确的约束边界。选择合适的单位制可以避免数值计算中的困难，对于生物力学问题，毫米-微米单位制很合适。为了加快计算速度，采用共节点方式比绑定接触的方式更加好。在不稳定的非线性问题中，采用稳定性控制的方法可以避免发散。
