可轉(zhuǎn)化腔靜脈濾器的生物力學(xué)性能分析

馮海全，王 坤，李治國，仇洪然

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

腔靜脈濾器（venacavafilter，VCF）是防止深靜脈栓塞（Deep Venous Thrombosis，DVT）和肺動(dòng)脈栓塞（Pulmonary Embolism，PE）的一種植入性醫(yī)療器械。該裝置能很好的過濾血栓，不形成明顯腔靜脈阻塞，并在一定時(shí)間內(nèi)不干擾腔靜脈血液動(dòng)力學(xué)。隨著介入醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，腔靜脈濾器作為治療DVT和PE的有效方法之一，在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)也存在著相關(guān)的問題，已研制出的腔靜脈濾器并不能滿足患者需求。可轉(zhuǎn)換型濾器使用中完成捕獲血栓后，可以將濾器轉(zhuǎn)換為支架，從而避免長期植入時(shí)的并發(fā)問題[1]。

近年發(fā)展起來的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)（CFD），使模擬不同結(jié)構(gòu)動(dòng)脈內(nèi)的血流狀態(tài)成為可能[2]。學(xué)者們經(jīng)過科學(xué)研究，對(duì)腔靜脈濾器進(jìn)行了相關(guān)的報(bào)道。文獻(xiàn)[3]對(duì)比分析了幾種腔靜脈濾器過濾不同血栓的情況，根據(jù)捕捉率定量評(píng)價(jià)了濾器的過濾效果，為濾器的使用提供了重要的參考。文獻(xiàn)[4]利用粒子成像測速方法測試了3種腔靜脈血液中的血流動(dòng)力學(xué)特性，系統(tǒng)評(píng)估了靜脈內(nèi)血栓形成機(jī)理，為臨床治療提供了幫助。針對(duì)永久性濾器和可回收濾器展開的臨床研究報(bào)道較多，但是國內(nèi)外有關(guān)可轉(zhuǎn)化腔靜脈濾器的力學(xué)性能方面的相關(guān)報(bào)道很少。為了探索可轉(zhuǎn)化腔靜脈濾器在體內(nèi)對(duì)血管和血流的影響情況，提出適合濾器耦合擴(kuò)張的有限元分析方法，模擬分析了一種新型可轉(zhuǎn)化腔靜脈濾器的生物力學(xué)和血流動(dòng)力學(xué)性能，為濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 材料模型

腔靜脈濾器是使用超彈性NiTi合金材料，一般是經(jīng)過激光雕刻、熱定型、電解拋光等工藝制作而成。根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]中的報(bào)道，本材料模型是使用相同NiTi合金管材測得的力學(xué)性能參數(shù)作為模型的材料屬性，管材的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖1所示。NiTi合金是形狀記憶合金材料，建立濾器模型時(shí)采用ABAQUS軟件中專用的模塊對(duì)其進(jìn)行了設(shè)定。腔靜脈內(nèi)部含有彈性纖維，是屬于肌肉型靜脈，分析時(shí)將腔靜脈血管設(shè)定為超彈性連續(xù)實(shí)體模型。

圖1 NiTi合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 The Stress-Strain Curve of NiTi

2.2 幾何模型

濾器模型是根據(jù)一種可轉(zhuǎn)換腔靜脈濾器專利[7]中的模型建立，如圖2所示。分析時(shí)，應(yīng)用Solidworks軟件建立濾器及血管三維模型。濾器主要包括：支撐元件、過濾元件和鎖扣元件，在溶栓治療完成后打開鎖扣元件，過濾元件自然轉(zhuǎn)換成支撐元件，實(shí)現(xiàn)濾器轉(zhuǎn)換支架的過程。濾器轉(zhuǎn)化前模型外徑32 mm，支撐體長度32 mm，壁厚0.30 mm。將模型導(dǎo)入到ABAQUS軟件中，完成生物力學(xué)性能的模擬分析。固體有限元模擬分析后，分別提取變形后的濾器與血管模型，導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)分析。

圖2 濾器三維幾何模型Fig.2 3D Models of the Vena Cava Filter

2.3 網(wǎng)格劃分

濾器和血管模型都是應(yīng)用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分的。參考文獻(xiàn)[8]的研究方法對(duì)濾器有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用混合網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，濾器模型采用4面體網(wǎng)格，為了準(zhǔn)確表達(dá)邊界層內(nèi)流動(dòng)參數(shù)設(shè)置了2層單元。根據(jù)文獻(xiàn)[9]的方法建立了血管模型，并進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。

2.4 邊界條件和載荷定義

根據(jù)腔靜脈濾器在血管內(nèi)的變形行為，濾器初始外徑32mm，體外壓握至外徑5mm，植入后經(jīng)卸載可釋放到（20～28）mm的血管中。濾器植入過程是通過支撐體表面施加力的方式實(shí)現(xiàn)，使濾器由原始狀態(tài)壓握后再釋放在28mm的血管中，濾器釋放后與腔靜脈內(nèi)壁接觸，使血管自然撐起。根據(jù)流體模型的邊界條件[10-11]：入口血流流速最大值為0.1m/s；出口為壓力出口，出口壓力為0；血管壁上流體軸向速度為u=0。

2.5 流體有限元模型

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)遵守質(zhì)量和動(dòng)量守恒定律，其連續(xù)方程表示為：

動(dòng)量守恒方程表示為：

式中：ρ—密度；t—時(shí)間；U—速度矢量；u、v、w—速度矢量；μ—?jiǎng)恿︷ざ?；Su、Sv、Sw—?jiǎng)恿渴睾惴匠痰膹V義源項(xiàng)。

流體動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，不考慮能量守恒方程，采用標(biāo)準(zhǔn)層流模型對(duì)裝置內(nèi)的三維定常流場進(jìn)行分離式隱式求解濾器系統(tǒng)的流體有限元方程。

3 結(jié)果與分析

3.1 固體有限元分析

濾器轉(zhuǎn)化前后在腔靜脈內(nèi)釋放后的應(yīng)力分布圖，如圖3所示。圖3（c）和圖3（d）為濾器轉(zhuǎn)化前后腔靜脈應(yīng)力分布圖。濾器轉(zhuǎn)化后最大應(yīng)力、血管最大應(yīng)力和濾器支撐剛度，如表1所示。濾器轉(zhuǎn)化前后的最大應(yīng)力分別為19.82和16.95Mp，轉(zhuǎn)化前濾器上的應(yīng)力峰值較大。濾器轉(zhuǎn)化前最大應(yīng)力集中在過濾網(wǎng)與支撐體交接處，此處是容易發(fā)生斷裂的位置，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意此處的強(qiáng)度。濾器轉(zhuǎn)化后受到的應(yīng)力峰值比轉(zhuǎn)化前小，斷裂風(fēng)險(xiǎn)降低。轉(zhuǎn)化后高應(yīng)力區(qū)域位于上側(cè)支撐體內(nèi)部圓環(huán)處，在長時(shí)間的脈動(dòng)載荷下此處易發(fā)生斷裂。

濾器轉(zhuǎn)化前后的血管最大應(yīng)力分別為17.17和18.17Mp，濾器轉(zhuǎn)化后血管的應(yīng)力峰值較大。濾器在釋放和植入后對(duì)血管壁造成的機(jī)械損傷會(huì)引起并發(fā)癥。濾器轉(zhuǎn)化前支撐體與過濾網(wǎng)連接位置對(duì)血管應(yīng)力峰值最大，上側(cè)支撐體次之，支撐體中間位置對(duì)血管的影響相對(duì)較??；轉(zhuǎn)換后支撐體上下位置處對(duì)血管的損傷程度基本一致且引起血管壁的應(yīng)力峰值比轉(zhuǎn)化前有所減小。血管上的應(yīng)力較大的位置，說明濾器對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞造成損傷程度也大，所以內(nèi)膜增生首先在支撐體與過濾網(wǎng)連接處開始，隨后延著支撐體方向增長。

濾器支撐剛度的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[9]的研究。濾器轉(zhuǎn)化前的支撐剛度為0.0579，轉(zhuǎn)化后的支撐剛度為0.0495N/mm，濾器轉(zhuǎn)化前的支撐剛度相對(duì)比轉(zhuǎn)化后的大。說明轉(zhuǎn)化前有較好的支撐性能，轉(zhuǎn)化后支撐性能有所下降，存在移位的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 濾器和血管在擴(kuò)張卸載后的最大等效應(yīng)力（a、c）轉(zhuǎn)化前（b、d）轉(zhuǎn)化后Fig.3 The Maximum Equivalent Stress of the VCF in Vitro Expansion Deformation（a、c） Before the Conversion（b、d） After the Conversion

表1 濾器的生物力學(xué)性能Tab.1 The Mechanical Properties for Vena Cava Filter

3.2 流體動(dòng)力學(xué)分析

圖4 濾器流體分析結(jié)果云圖（a、b）濾器轉(zhuǎn)化前、后中間切面速度云圖（c、d）濾器轉(zhuǎn)化前、后壓力分布云圖（e、f）濾器轉(zhuǎn)化前、后濾器表面剪應(yīng)力分布云圖（g、h）濾器轉(zhuǎn)化前、后血管表面剪應(yīng)力分布云圖Fig.4 The Fluid Cloud Distribution Analysis Results（a、b） the Middle Section Velocity Contour Before and After the Conversion（c、d） The Middle Section Pressure Contours Cloud Before and After the Conversion（e、f） the Surface of the VCF Shear Stress Contours Cloud Before and After the Conversion（g、h）the Surface of the Vessel Wall Shear Stress Contours Cloud Before and After the Conversion

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[9，12]，血管內(nèi)血液流動(dòng)特性與植入器件的結(jié)構(gòu)形狀密切相關(guān)。圖4為濾器轉(zhuǎn)化前后的切面速度、壓力、表面剪應(yīng)力以及血管表面剪應(yīng)力分布云圖。濾器轉(zhuǎn)化前后的各項(xiàng)流體力學(xué)性能數(shù)值，如表2所示。圖4（a）和圖4（b）速度云圖顯示，濾器轉(zhuǎn)換前的出口速度為0.128m/s，轉(zhuǎn)換后的出口速度為0.115m/s，說明濾器的植入有一定的加速作用。血管中間區(qū)域的速度較小，尤其靠近血管兩側(cè)區(qū)域速度非常的低，在這些低流域區(qū)易形成血栓。圖4（c）和圖4（d）壓力云圖顯示，血液經(jīng)過濾器后壓力由13.5Pa變?yōu)?.3Pa，有降低的趨勢，只有在進(jìn)口接近濾器支撐體壁面處壓力較高。圖4（e）～圖4（h）剪應(yīng)力云圖顯示，濾器轉(zhuǎn)化前后的支撐體下部壁面剪應(yīng)力值0.768Pa均＞支撐體上部壁面剪應(yīng)力值0.153Pa，此處不宜形成血栓；支撐體上部壁面剪應(yīng)力值均小于壁面剪應(yīng)力，此處易形成血栓。濾器轉(zhuǎn)化前后的血流出口流速大于入口流速，濾器對(duì)血流有一定的加速作用，有利于過濾血栓的功能。濾器轉(zhuǎn)化前過對(duì)血流有一定的阻礙作用，局部出現(xiàn)了低流域區(qū)，使得血液在該處形成血栓的可能性變大。轉(zhuǎn)化后流速降低，過濾網(wǎng)后端速度突變區(qū)域減少，擾動(dòng)區(qū)域減少，濾網(wǎng)對(duì)血流阻礙降低，濾器轉(zhuǎn)化頭內(nèi)流速、壓力和剪應(yīng)力較低，易形成血栓且堆積在轉(zhuǎn)化頭內(nèi)，使得濾器轉(zhuǎn)化難度變大。

濾器植入后支撐體附近區(qū)域內(nèi)壁面剪應(yīng)力均＜正常靜脈壁面剪應(yīng)力0.5Pa，增生首先易在支撐體下部與過濾網(wǎng)連接部位形成，這與固體分析結(jié)果一致。在上端兩個(gè)支撐體中間位置，再次在下端兩個(gè)支撐體中間位置，最后在支撐體上形成“爬皮”現(xiàn)象，內(nèi)膜增生現(xiàn)象終止于支撐體上部位置。濾器轉(zhuǎn)化前后剪應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，轉(zhuǎn)化后最大應(yīng)力具有減小的趨勢。濾器過濾效果主要取決于過濾網(wǎng)前端，其剪應(yīng)力越大過濾效果越好。濾器轉(zhuǎn)化后轉(zhuǎn)換網(wǎng)后端仍有一定的過濾作用，但效果不明顯。

表2 濾器的流體力學(xué)性能Tab.2 Fluid Mechanical Properties of the Vena Cava Filter

4 結(jié)論

（1）濾器力學(xué)性能分析結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)化后的濾器和血管的最大應(yīng)力下降，過濾桿刺入血管的深度減小，對(duì)血管造成的機(jī)械損傷減少；濾器轉(zhuǎn)化前的支撐剛度高于轉(zhuǎn)化后的支撐剛度，這有利于濾器的定位，減小或避免移動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。（2）血流動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明，濾器轉(zhuǎn)化后血流流速和雷諾系數(shù)降低，減少對(duì)血液的阻礙作用，易在支撐桿表面形成爬皮現(xiàn)象，有益于濾器轉(zhuǎn)化為支架后的定位，并且濾器轉(zhuǎn)化后轉(zhuǎn)換網(wǎng)后端仍有一定的碎栓效果。（3）濾器轉(zhuǎn)化后有較好的血流動(dòng)力學(xué)效果和生物力學(xué)性能，轉(zhuǎn)化后隨著應(yīng)力的下降，有效減少對(duì)血管壁的損傷和血流動(dòng)力學(xué)的影響，這為新型濾器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供重要的參考依據(jù)。