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由心血管动脉硬化引起的冠心病是一项危及人类生命健康安全的世界性公共卫生问题。基于血管支架的介入性治疗方法因其微创伤和高效性,成为当前治疗心血管狭窄性冠心病的重要方法。但早期的支架植入技术带来了支架内再狭窄的问题,究其主要原因,是由于介入治疗造成血管壁损伤和血流动力学环境的改变,从而引发血栓形成和内膜增生。
目前对于预防再狭窄的血管支架的研究,主要集中在药物洗脱支架的设计与制造、支架材料的生物相容性等领域,尚缺乏基于血管支架介入耦合系统血流动力学原理的支架本体结构设计优化方面的研究。
本文在课题组前期研究成果的基础上,将血管支架介入耦合系统的血流动力学基础理论、数值模拟和测试实验相结合,建立了血管-支架-血流耦合的有限体积法模型和血流动力学测试实验平台,深入研究了内膜增生的支架再狭窄机理,为血管支架结构优化设计提供了新的研究思路。论文主要研究成果如下:
(1)研究了血管-支架耦合系统三维数值分析的血流动力学基础理论。通过研究该耦合系统内各组份的力学性质和冠脉中血液流动的分析模型,采用Womersley理论,建立了血管-支架耦合系统中血流运动方程及血管壁方程和它们的求解步骤。针对血液流动这样一个非稳态(瞬态)的压力-速度耦合问题,建立了血管-支架耦合系统血流动力学的有限体积法方程,重点阐述了有限体积法分析中的交错网格技术、SIMPLE算法和PISO算法等关键技术。
(2)研究了血管-支架耦合模型血流动力学数值模拟的有限体积法关键技术,深入全面地研究了支架植入病变部位后血流运动特征以及支架内再狭窄的形成机理。重点对周期脉动血流环境下耦合系统流体动力学有限体积法模拟中的几何建模、材料模型选取、网格划分、边界条件、求解控制方法和计算精度等关键问题进行了分析。通过对耦合系统在定常流和生理脉动流环境下流动形态、流速、壁面剪应力(wall shear stress,简称WSS)等结果的详细分析,得出以下结论:无论何时,壁面剪应力的最小值总是出现在支架杆临近区域；任意时刻,壁面某个点的WSS与入口速度、入口加速度正相关,而整个壁面低WSS(<0.5Pa)区域面积与入口速度负相关；在一个心动周期的部分时刻,支架段内出现低于0.5Pa的WSS,因此该区域为内膜增生易发区。
(3)在血管支架介入耦合系统基本模型数值仿真的基础上,提出支架结构优化的分析方法。通过求解支架几何参数变化了的耦合系统模型,得出以下结论:支架杆壁厚与低WSS区域面积正相关；支架杆宽度与WSS基本无关；支架一血管直径比为1最为理想,比值越大,低WSS区域(特别是支架近前端区域)越大。因此,在满足支架其他力学性能要求的前提下,应尽量减小支架的壁厚,并在支架扩张中进行控制,尽可能使扩张后的支架外径与周围健康血管壁内径一致。这些对血管支架的优化设计有着明确的指导意义。
(4)针对开发优良力学性能冠脉血管支架的测试需求,研制了基于虚拟仪器和机器视觉的血管支架介入耦合系统血流动力学测试装置。应用所研制的测试装置,对自主研发的薄壁微管雕刻316L不锈钢冠脉支架介入过程中包括输送性、径向支撑力以及支架植入后血运特性等一套完整的血流动力学性能参数进行了测试。测试结果表明:该支架具有良好的输送性能；其径向支撑力为180KPa；该支架植入后降低了支架中段血管内壁的WSS,使得支架中段及支架近前端和近后端处出现低WSS区,易导致内膜增生而出现再狭窄。测试过程和结果表明所研制的测试装置满足对冠脉支架力学性能的测试需求。
(5)针对冠脉血流运动特点,提出了基于电化学方法的血管一支架耦合系统的WSS测试方法,研制了血管支架脉动流环境下平均 WSS的测试模块。应用该测试模块,对支架样件进行了支架植入前后病变部位若干测试点的平均WSS测试实验,并比较了数值分析平均值结果和实验数据,结果表明二者具有较好的一致性,可以作为对支架植入后耦合系统血流动力学数值模拟的补充和合理性的验证,为支架的优化设计以及耦合系统的血流动力学的有限体积法模拟提供有力的实验支持。