引言：心血管疾病是一种严重威胁人类健康的疾病，根据世界卫生组织（WHO）的预测，这一情况将持续数十年。外科治疗，包括球囊血管成形技术和支架的置入，仍然是许多病人的救命稻草。近日，启明医疗成为国内第一家购买LivingHeart的客户，将为其产品研发保驾护航。我们通过一个案例，展示LivingHeart如何应用于心血管医疗器械行业。
支架通常用于治疗由于体内血管阻塞或受损而引起的疾病，可以打开动脉，帮助患者减轻胸痛(心绞痛)等症状，或帮助治疗心脏病发作。它是由金属网制成的微小可膨胀管，通过球囊血管成形术将其部署在狭窄的冠状动脉中。
下面的影像图来自美国国立卫生研究院（NIH）。图1中显示了冠状动脉内斑块的堆积与支架的放置过程。
▲图1冠状动脉内斑块的堆积与支架的放置过程当手术愈合后，支架将长久性的植入在动脉中。因此，支架的耐久性分析是非常重要的，因为支架损伤会导致血管的再次狭窄甚至栓塞。美国食品药品监督管理局（FDA）建议使用有限元分析方法来确定支架上的关键应力位置，从应力分析中获得的平均应力和交变应力作为疲劳寿命测定的输入。这就需要提供一个生理学意义上的支架工作环境，实际上是非常具有挑战性的。活体心脏模型（LivingHeart）基于达索公司的3DExperience平台，有了“LivingHeart”，医生通过计算机仿真手段，可以像测试飞机性能一样测试药物、手术对心脏的影响。活体心脏模型（LivingHeart）提供了一个独特的测试环境，其中支架可以虚拟地部署在冠状动脉中，并在模拟心动周期中的机械变形，一旦通过有限元求解获得了机械变形结果，就可以评估支架的耐久性。计算机仿真既实现了一种生理学上准确的方法来测试新的和现有的设备，又避免了临床试验带给患者的不必要风险。达索系统Abaqus软件是世界知名的大型商用有限元分析软件，在非线性仿真方面性能优异，为支架性能评估提供强有力的建模工具和求解器：
Abaqus/CAE提供了一个从支架有限元模型生成到结果后处理的用户友好界面；
Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit求解器可以满足支架结构分析要求。
下面，我们将详细介绍使用Abaqus软件结合达索活体心脏模型来实现血管支架放置及心动周期模拟全过程，为帮助客户解决实际问题提供参考解决方案。支架建模首先，在Abaqus/CAE中导入或建立支架的2D平面模型，由于支架模型几何特征一般是周期性重复的，对于重复相同的几何形状，可先识别出代表性几何进行建模和网格划分，后续利用Abaqus/CAE的线性阵列和网格编辑功能来实现整体模型的构建。如图2：▲图2支架3Dmesh生成接下来，对于已生成的平面3D网格模型，Abaqus为用户提供了便捷的网格卷曲插件来实现支架的圆柱形卷曲建模，如图：▲图3网格卷曲材料属性
本次案例支架采用不锈钢材质，材料参数下：
分析流程
将支架、卷曲工具和扩张工具放置在活体心脏模型中，如图4所示：
▲图4支架放置
冠状动脉树近端与左冠状口相连。冠状动脉表面(最靠近心室)的三分之一与心室和心房相连；这确保了冠状动脉在心动周期中跟随心脏的运动，为有限元分析软件提供准确真实的边界条件和载荷输入。分析采用显式算法：第一步，压缩支架，模拟将支架压接在输送球囊上的过程，将径向位移边界条件应用于卷曲工具，此时支架受压闭合；然后将径向位移边界条件应用于扩张工具，模拟球囊展开。图5a、5b：▲图5a压缩支架▲图5b扩张支架在下一步中，使动脉的压力逐渐增加到典型的70%舒张压。接下来，模拟三个心动周期以达到循环稳态响应。在支架卷曲和展开过程中，需指定支架和冠状动脉、支架和卷曲工具、支架和膨胀工具之间的通用接触。在心动周期中，需激活冠状动脉与心室、冠状动脉与心房之间的接触面，以确保动脉的真实变形。结果分析支架是一个薄的金属网，在心动周期中会发生明显的弹性变形。由于无法在体内测量支架变形，因此活体心脏模型提供了一种量化分析心动周期中支架变形的工具。图6a显示了支架的未变形状态，其中设置了三个元素集（近端蓝色，中间绿色和远端红色）。图6b和图6c分别显示了变形后的支架在心动周期的舒张和收缩状态下的vonMises应力云图。可以看出，支架的远端部分在心动周期内经历最大的变形和应力。▲图6a未变形状态▲图6b舒张状态下Mises应力▲图6c收缩状态下Mises应力疲劳评估通过Goodman方法进行评估，在此评估中，使用了MPa的极限抗拉强度和MPa的疲劳极限。使用与图6a一致的颜色绘制了支架三个区域(远端、中端和近端)的平均和交变应力。通过分析，支架的近端区域倾向于保持在Goodman极限下，表明较长的疲劳寿命，支架的远端区域超过Goodman极限，说明该区域的支架更容易因疲劳而失效。如图7所示：
▲图7支架疲劳评估
总结仿真结果表明，支架的疲劳寿命会受到血管系统的弯曲和扭曲运动的显着影响（取决于支架位置），而不是仅仅受到支架承受的径向载荷的影响，从而得出结论：传统的脉搏负荷的建模方法可能不足以准确估计冠状动脉支架的耐久性。近年来，国内知名的医疗器械厂商已经开始逐渐的意识到这个问题，杭州启明医疗器械有限公司已经购买了达索系统3DE平台下的活体心脏模块，开始应用活体心脏模型及Abaqus软件对产品性能进行高精度的计算分析，随着应用的进一步深入，必将给企业带来欣喜和更大的发展！关于上海江达上海江达是达索系统全球知名的合作伙伴，专注于PLM领域的信息化咨询和实施服务，具有百余人的专家顾问实施团队和二十余年的项目经验。具备汽车与轨道交通、建筑与能源（BIM）、工业装备、航空航天、船舶、高科技电子等多个行业的应用案例和最佳实践。
供稿来源：技术部
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