基于解析模型与有限元仿真的医疗编织支架机械性能对比分析

本文运用ANSYS对医疗编织支架进行有限元模型的构建，模拟了支架受到压缩管作用产生径向压缩的过程。考虑到支架的编织特性以及在编织线丝交错位置存在大量的非线性接触，本文参考了经实验验证的编织支架的解析模型，对比分析支架模型在受到径向压缩时几何结构和力学性能的变化特征。结果表明，该有限元模型能够有效预测编织支架受到径向压缩时长度与直径的变化关系、等效应力与支架长度的变化关系、以及受到压缩产生应力集中的部位。为具有编制特性的医疗支架有限元模型构建提供了新的思路。

血管疾病是如今社会最常见的一种疾病，该疾病的防治工作在取得初步成效的同时，又面临新的严峻挑战。作为心血管介入手术中常用的医疗器械之一，血管医疗支架[1]通常被定义为一种应用于植入型外科手术的管状金属结构，该结构的主要功能是对阻塞的冠状动脉或病变的血管提供机械支持，恢复血液在管道内的正常流通。

近几年对编织结构支架的研究逐渐兴起，相较于传统连接筋式的医疗支架[2] [3] [4]，因其结构的稳定性和顺应性，具有很强的研究意义。计算机仿真技术[5]作为一种发展迅速的研究方法，能够有效模拟支架置于病变的血管组织并与血管内壁相互作用的过程。如今国内外学者对编织支架的有限元仿真研究较少，主要原因在于支架的编织特性[6] [7] [8]，采用传统的建模方式很难实现。另一方面模拟支架受到血管径向压缩的过程中，在编织交错位置处存在大量的非线性接触，这些接触导致ANSYS 在运行仿真时计算量繁琐且不易得到收敛。

综上所述，本文的研究数据通过可视化软件Constent 实现不同几何结构参数支架模型的输出。该输出文件包含了支架编织路径中心线上所有点的柱坐标，基于Python 语言编写脚本在建模软件AnsysSpaceclaim 中读取坐标值并自动生成编织支架的三维模型。对比解析模型，主要从两个方面对编织支架的有限元模型进行验证分析：几何结构方面，提取支架与血管内壁作用过程中直径与整体伸缩长度的变化关系。力学性能方面，分析支架在输送完成后能否为血管内壁提供足够的径向支持，以及预测支架在受到血管壁作用时应力集中的部位。

2. 解析模型 解析模型[9] [10]由Jeweb 和Clerk 提出并且经过了实验验证，描述了支架在受到轴向拉伸或径向压缩时几何结构和力学性能的变化。该模型假设编织支架由多个独立的螺旋编织线构成，并且这些螺旋线只发生弹性变形。编织线丝的直径为d，不受外力作用时，支架横截面可简化如图1 所示：