锥形血管中支架扩张耦合系统的力学行为与实验研究

Applicants have studied the structure design of vascular stents, analysis and experimental testing of vascular stent mechanical properties, and so on. Based on the preliminary research, the project will investigate the mechanical behavior and in-vitro testing method of the stent expansion coupled system in tapered arteries. And effect of taper characteristics of tapered arteries on expansion process and structure design of stents is explored. The research fruits will provide a scientific basis for the development of good performance stent applied to tapered arteries. Specifically: ① Balloon, tapered vascular wall, plaque and stent are regarded as a nonlinear coupled system, and mechanical model of the coupled system is built. The non-linear finite element theory and the numerical simulation method used to simulate the coupled system are studied to provide a theoretical basis for designing good performance stents; ② The Kriging surrogate models of the vascular injury and the vascular recoiling involved in expansion process of stent are constructed. Then, a multi-objective optimization model of the mechanical behavior involved in the expansion process of stent is built, and the appropriate solution method is explored. ③ The in-vitro testing device of the stent expansion coupled system in tapered arteries is developed to achieve the comprehensive measurement and analysis of the mechanical properties involved in the expansion process of stents, such as the vascular injury and the vascular recoiling, etc. The in-vitro experiment may provide the experimental verification for the optimization design and numerical simulation analysis of stents.

基于申请者在血管支架的结构设计、力学性能分析以及实验测试等前期的工作基础，本课题将研究锥形血管中支架扩张耦合系统的力学行为与体外实验测试方法，探索血管的锥形特征对支架的扩张过程及结构设计的影响，为研制适用于锥形血管的高性能血管支架提供科学依据。具体而言：①将球囊、锥形血管壁、硬化斑块、支架作为一个非线性耦合系统，建立耦合系统的力学模型，研究用于模拟耦合系统的非线性有限元理论和数值模拟方法，为设计高性能的血管支架提供理论基础；②研究建立描述锥形血管中支架扩张耦合系统在扩张过程中涉及的血管损伤性、回弹性等力学行为的Kriging代理模型，建立支架扩张过程力学行为多目标优化模型，并探索相应的求解方法；③研究开发锥形血管中支架扩张耦合系统的体外实验测试装置，实现对支架扩张过程中涉及的血管损伤性、回弹性等力学性能的综合测量与分析，并为血管支架的优化设计和数值模拟分析提供实验验证。

本课题重点研究了锥形血管中支架扩张耦合系统的力学行为与体外实验，探索了血管的锥形特征对支架的扩张过程及结构设计的影响，为研制适用于锥形血管的高性能血管支架提供了科学依据。在力学行为研究上，研究建立了支架在锥形血管中扩张过程的计算模型，分析了支架扩张过程中涉及的血管损伤性、回弹性等力学行为；研究了支架的扩张策略、锥形血管的锥度水平以及血管壁厚对支架扩张过程及血管损伤程度的影响规律。研究结果表明锥形血管的锥形特征不仅会影响到支架的扩张过程，而且还会影响支架扩张后的整体形状；而且随着血管锥度的增加，支架的锥度以及血管远端的应力呈现增加的趋势；基于锥形血管中端直径的扩张策略是一个比较合理的选择。这些结论为临床上医生挑选支架或者球囊以及支架术过程中操作程序的合理制定提供了理论指导。在前面研究的基础上，设计出了一种适用于锥形血管使用的新型球囊扩张式支架，并对该支架的扩张性能进行了研究。此外，还考察分析了血管支架的纵向强度性能和弯曲性能，指出连接筋的设计类型和周向的连接个数对支架纵向强度和弯曲性能的重要性，为血管支架设计技术研究提供了理论指导。在力学行为优化上，首先提出了一种基于有限元分析、实验设计、代理模型技术的支架力学性能快速分析方法，然后建立了支架力学性能多目标优化模型，进行了支架的多目标优化设计。在实验研究上，搭建了支架力学性能体外测试平台，并进行了相关力学性能的实验测试，为支架的优化设计和数值模拟分析提供了实验验证。本课题通过设计开发新的模拟模型，获得更为合理的模拟结果用以指导血管支架的设计。本项目以发表学术论文和申请专利为主要成果提交方式，项目负责人以第一作者发表学术论文11篇，其中SCI收录3篇，EI收录7篇；申请国家发明专利12项，授权发明专利2项，申请并授权实用新型专利4项，参加国际会议4次，培养硕士生3人。