颅内血管支架生物力学性能数值模拟及激光加工工艺研究

摘要

颅内血管的生理特征，要求支架具有极高的压握性与柔顺性。通过结构优化的方法提高支架的植入性和柔顺性，是球囊扩张式支架优化设计工作所面临的挑战。本文主要通过数值模拟方法研究颅内血管支架扩张、压握、弯曲、植入等变形的仿真模型，并在此基础上开展柔顺性和压握性的优化工作。具体包括:①对7种支架扩张模拟方法进行对比研究，分析并提出了各种扩张方法的优、缺点。②以简支梁和悬臂梁的弯曲变形为力学模型，建立了四种支架弯曲的数值仿真模型，并进行对比研究。结果表明，四种模型的计算结果一致;位移载荷法优于弯矩载荷法。通过耦合方式，建立了集支架压握变形、扩张变形和弯曲变形为一体的仿真模型，仿真结果表明:压握和扩张变形增加支架刚度。最后研究了连接筋的结构、连接筋的数量、连接筋的布置方式对支架柔顺性的影响机理;提出的优化方案，可有效提高支架的柔顺性以及不同方向上柔顺性的一致性。③建立压握模型，对支架进行压握与回弹仿真，分析了支撑环结构与连接筋结构对支架压握性能的影响机理;提出了支撑环结构的优化方案，其压握性能得以显著提升。④建立集支架压握变形、植入过程、扩张变形和回弹变形于一体的支架植入仿真模型，系统的模拟支架的植入变形。该模型可评价支架的植入性能、贴壁性能以及支架对血管的拉直效应。 激光切割作为支架制备的主要方法，是一个多输入、多输出问题，工艺参数对切割质量的影响机理复杂。调整工艺参数、优化切割质量是一项复杂的工作。本文通过光纤激光切割实验，开展了镍钛合金(Nickel titanium，NiTi)支架和钴铬合金(Cobalt chromium，CoCr)支架的切割工艺研究;并通过研究切割表面形貌与切割质量的耦合关系，探索了支架切割质量的快速优化方法。具体包括:①在湿切环境下，采用氩气作为辅助气体进行NiTi合金切割实验，对获得的混合形貌的形成原因进行机理分析，总结了切割表面形貌与切割质量的耦合关系。在此基础上研究工艺参数对切割质量的影响，并提出NiTi合金支架激光切割质量的快速优化方法。②分别采用氩气和氧气两种辅助气体进行CoCr合金切割实验，并从试样的切割表面形貌、切割表面化学成分和切缝形状三个方面研究辅助气体类型对切割质量的影响。对氧气切割试样表面的三种形貌的形成原因进行机理分析，归纳了表面形貌与切割质量的耦合关系。在此基础上研究氧气作为辅助气体时，工艺参数对切割质量的影响，并提出了CoCr合金支架激光切割质量的快速优化方法。 本文的研究工作，为支架的扩张、压握、弯曲、植入等变形提供了有效的数值模拟仿真模型;并通过结构优化设计，提高了支架的压握性和柔顺性。本文还研究获得了NiTi合金支架、CoCr合金支架的激光切割质量与表面形貌的耦合关系;所提出的激光工艺参数优化方法，可快速优化血管支架的切割质量。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1颅内血管支架置入术

1．2颅内血管支架

1．2．1血管支架简介

1．2．2血管支架性能需求

1．2．3颅内血管支架

1．3支架生物力学性能研究现状

1．3．1支架扩张研究

1．3．2柔顺性研究

1．3．3血管造影成像技术的应用

1．3．4支架优化设计工作

1．4有限元法模拟支架变形的理论基础

1．4．1非线性问题

1．4．2真实应力与真实应变

1．4．3 Abaqus求解器类型比较

1．5血管支架加工工艺

1．5．1血管支架激光加工系统

1．5．2血管支架的激光切割工艺研究方法

1．5．3血管支架的激光切割质量

1．5．4血管支架的激光加工工艺优化研究

1．6课题来源和主要研究内容

2支架扩张模拟方法研究

2．1支架扩张方案

2．1．1扩张方案

2．1．2方案分析

2．2数值模拟仿真

2．2．1几何模型

2．2．2材料模型参数

2．2．3分析步、边界条件与载荷

2．2．4求解器

2．3模拟仿真结果

2．3．1 Standard求解器与Explicit求解器求解结果对比

2．3．2 Model A-G仿真结果

2．4模拟仿真结果分析

2．4．1 A/B/C/D四种方案比较

2．4．2 E/F/G三种方案比较

2．4．3压握过程对扩张变形的影响

2．5本章小结

3支架柔顺性研究与优化

3．1力学模型

3．2数值模拟仿真

3．2．1支架几何模型

3．2．2支架材料模型

3．2．3边界条件与载荷定义

3．2．4网格定义

3．3支架弯曲变形的4种力学模型比较

3．3．1仿真结果

3．3．2柔顺性分析

3．4压握-扩张变形对支架柔顺性的影响

3．5连接筋对柔顺性的影响

3．5．1连接筋交叉布置与非交叉布置

3．5．2连接筋数量

3．5．3连接筋形状

3．6本章小结

4支架压握性研究

4．1数值模拟仿真

4．1．1支架和压握壳几何模型

4．1．2支架材料模型

4．1．3分析步、边界条件、载荷定义

4．1．4求解器

4．1．5网格定义

4．2支撑环结构对压握性能的影响

4．3连接筋结构对压握性能的影响

4．4压握性优化

4．4．1进一步压握变形

4．4．2优化方案

4．4．3优化结果

4．5本章小结

5支架植入过程的数值模拟仿真

5．1数值模拟仿真

5．1．1几何模型

5．1．2材料模型

5．1．3分析步、边界条件与载荷定义

5．1．4网格定义

5．2模拟仿真结果

5．2．1支架压握回弹结果

5．2．2支架植入仿真结果

5．2．3支架扩张仿真结果

5．3本章小结

6 NiTi合金血管支架的激光切割工艺

6．1实验方案

6．1．1材料

6．1．2激光切割

6．1．3样品表征

6．2结果和讨论

6．2．1切割表面形貌

6．2．2表面粗糙度

6．2．3切缝宽度

6．2．4热影响区

6．2．5熔渣

6．3验证实验

6．4本章小结

7 CoCr合金血管支架的激光切割工艺

7．1．2激光切割

7．1．3样品表征

7．2结果和讨论

7．2．1辅助气体类型对切割质量的影响

7．2．2激光切割工艺参数对切割质量的影响

7．3本章小结

8结论与展望

8．1结论

8．2创新点

8．3展望

致谢

参考文献

附录