心脏支架1.3万降至700元！有限元分析带你认识心脏支架
2020年11月5日，国家医保局在天津完成首次国家组织高值医用耗材冠脉支架集中带量采购工作。通过公开竞价，心脏支架的价格从均价1.3万元左右降至700元左右，这种断崖式降价无疑是病患们的福音。
《中国心血管健康与疾病报告2019》显示，目前我国心血管病患病人数达3.3亿；从2009年到2019年，中国冠心病手术量从23万例发展到超过100万例， 年增长速度10%—20%。
而心脏支架看似简单，但对于急性心肌梗死患者来说，进行冠脉介入治疗，也就是放支架，是最有效地减少患者死亡的一个手段。
那么，心脏支架是什么样的？小编就以元王心脏支架有限元分析案例来带你认识心脏支架。
心脏支架又称冠状动脉支架，是心脏介入手术中常用的医疗器械，具有疏通动脉血管的作用。主要材料为不锈钢、镍钛合金或钴铬合金。
为评估心脏支架的性能，需要运用CAE仿真技术对心脏支架进行压握扩张以及静压和疲劳分析。
心脏支架有限元分析特别需要关注的是压握应力、压握回弹应力、扩张应力分布、扩张回弹应力、静压载荷作用下应力分布，扩张回弹率和轴向短缩率，以及在血管脉动载荷作用下支架疲劳寿命。
用薄壳来作为压握工具模拟球囊压握和扩张，首先对压握工具施加径向位移，对支架在径向方向上压握0.5R（R为支架原始半径），再撤去压握工具，让支架自由回弹，然后对球囊施加径向向外方向位移，达到扩张尺寸2R，去除球囊，模拟扩张回弹，最后在支架外表面施加20Pa压强，模拟已经膨胀的支架需要受到来自于血管壁和心脏机械收缩的力的影响。
通过压握或扩张时部件截面变化和轴向长度变化，可以了解支架的回弹率和轴向收缩率。同时可以运用CAE仿真对心脏支架各种工况下的应力进行分析，并了解支架最低寿命及区域，作为设计优化的关键数据支撑。
我们用一个实例来详细说明
支架基础
支架是什么呢？支架是一种微小的网状装置，放置在动脉、血管或其他管道内，保持结构扩张以疏通血管。
支架用于哪里？通常用于治疗由于体内血管阻塞或损伤引发的疾病，包括冠状动脉疾病、外周动脉疾病、颈动脉疾病、肾血管性高血压，以及腹主动脉瘤等。其他使用支架的还有保持扩张阻塞或受损的输尿管、保持胆汁在阻塞的胆管内流动、帮助气道阻塞的病人呼吸等。
支架是如何工作？收缩的支架通过一个小切口穿入，安装到受影响的导管内。支架扩张使导管变宽，并提供支撑以防止导管变窄。
通常用的支架有两大类型：1）气球胀开支架：其由由塑性变形的材料制成，通过气球胀开进而扩张，气球放气后，除了稍微回弹，支架仍保持扩张状态。2）自展式支架：由具有较大弹性应变的材料制成，消除约束传递系统后，支架通过弹性变形恢复至扩张状态。
支架使用的材料：
1）不锈钢广泛应用于气球胀开支架；气球胀开支架的替代材料有钽、铂合金、铌合金、钴合金等；
2）镍钛诺超弹性合金用于自展式支架；
3）较为前沿的新型支架材料有形状记忆聚合物，生物可降解聚合物和生物可降解金属。
支架的制造加工工艺：
1）大多数冠状动脉支架是由激光切割制造，激光束切割出复杂的设计形态；大多数支架是从金属管切割而来，有些是由金属板切割，之后卷成管状；
2）其他制造方法包括卷绕、编织、针织、水切割和光化学蚀刻等。
支架的几何设计有连续环、单独环和编织等。其中，占据大部分市场的连续环是由一系列可扩展的Z形或S形单元组成；单独环是由单个Z形或S形环构成，用于支撑移植物；而编织设计，具有卓越的覆盖性能，但在扩张期间会大幅度缩短。
1、问题描述：
心脑血管疾病是人类生命健康的一大杀手。目前心脑血管疾病主要采用血管支架植入血管，以达到支撑狭窄闭塞段血管，减少血管弹性回缩及再塑形，保持管腔血流通畅。而现行的支架较高的在狭窄率成为其进一步发展的最大障碍。因此对于血管支架进行结构优化设计，为提高支架在工作中的稳定性，使用寿命，保证术后不复发提供技术保证。
2、主要结果：
血管支架在工作中的应力、应变；优化设计后的血管支架结构参数；血管支架的使用寿命预测。
案例：动脉粥样硬化所用的支架
动脉粥样硬化是一种常见的心血管疾病，患者的动脉会因斑块积聚而变得十分狭窄。动脉粥样硬化的一种常见治疗方法是经皮腔内血管成形术，这种手术可以清除或抑制患者冠状动脉中积聚的多余斑块,在一些情况下医生在进行治疗时，会在阻塞的动脉中插入一个小小的金属丝网状管，即所谓的支架。
支架到达预定位置后，利用了血管成形术的球囊，将自身固定在动脉的堵塞部位，可以随着球囊一起膨胀，从而卡住扩张部位。球囊放气后取出，只留下支架支撑动脉。膨胀的支架发挥了类似于脚手架的功能，它有助于血管保持畅通，促进血液正常流动。如果支架端部的扩张程度超过中间段（这类易发生的缺陷被称作 dogboning效应），动脉可能遭受严重的损伤。另一个潜在问题是前缩，它导致支架难以放置，而且可能损伤动脉。
为了顺利进行手术，并尽量减少潜在的健康危害，支架设计必须经过全面的研究和优化，CAE仿真能够有效帮助进行支架设计的评估工作。下面有道科技为大家介绍支架在手术过程仿真分析。
以某支架模型为例进行分析，支架的原始直径为 0.74 mm，扩张后，中段的直径为2 mm。此模型分析了管的内表面受径向向外的压力后，致使不锈钢支架膨胀而产生的应力和形变。（压力表示球囊扩张。）因为支架几何结构具有对称性，所以我们可以将模型的尺寸减小为原始几何结果的1/24，从而最小化仿真的计算成本。
完整的支架几何结构。在本例中，简化的几何结构由深色的网格区域表示。
非线性结构力学的分析结果
首先，我们观察一下支架在手术过程中经受的各种应力和应变。下方左图显示了球囊膨胀最大时支架中的应力分布，右图为球囊放气后支架中的残余应力。不出所料，球囊放气后，支架中的应力减少。
接着，分析在球囊膨胀过程中，dogboning效应（蓝色）和前缩（绿色）产生的影响与压力之间的关系。根据绘图，我们能够排查出支架设计中潜在的不利因素，并优化其性能。
支架中的 dogboning 效应和前缩效应与血管成形术球囊压力之间的关系。
我们分析了当 dogboning效应最大时管内的有效塑性应变。dogboning效应最大时的有效塑性应变和形变，峰值约为25％。至于回缩率参数，纵向回缩率约为-0.9％，远端径向回缩率约为0.4％，中心径向回缩率约为0.7％。根据这些参数，我们可以详细推测出膨胀的球囊被移除时支架的性能表现。
dogboning 效应最大时的有效塑性应变和形变。峰值约为 25％。
以上案例利用有限元分析知识，医疗研究人员能够有效改进支架的设计，并优化其在生物医学应用中的应用。除了外科手术过程中所需的医疗设备，有限元分析技术还在生物医疗其他领域广泛应用，并为人们的生命健康提供更多帮助。有道科技作为国内有限元分析技术应用领域的佼佼者，期待与更您的合作，为医疗行业发展提供技术支持。
