兩種工況下8 種腔靜脈濾器疲勞強度的對比研究

王越彤，馮海全，王曉天，王永剛

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古，呼和浩特 010051；2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院，安徽，合肥 230000；3. 蘇州天鴻盛捷醫(yī)療器械有限公司，江蘇，蘇州 215000)

肺動脈栓塞(pulmonary embolism, PE)已成為僅次于冠狀動脈疾病與腦血管疾病后的第三大心血管疾病[1?3]。研究表明，大部分的血栓產(chǎn)生于下肢深靜脈血栓(Deep Venous Thrombosis, DVT)。下腔靜脈濾器(Inferior Vena Cava Fliter, IVCF)是一種為預(yù)防下肢及盆腔靜脈系統(tǒng)血栓脫落上行導(dǎo)致PE 的過濾性裝置[4]。它的使用可以降低靜脈血栓(Venous Thrombosis, VTE)患者新發(fā)肺梗死及肺梗死復(fù)發(fā)的幾率，且手術(shù)易于簡單操作。

目前對腔靜脈濾器的廣泛研究包括濾器的生物力學(xué)性能和血流動力學(xué)性能。在濾器的支撐剛度方面，仇洪然等[5]對不同支撐桿數(shù)目的腔靜脈濾器進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)隨著支撐桿個數(shù)的增加，濾器在血管內(nèi)工作狀態(tài)下受到的應(yīng)力有增大的趨勢，血管壁受到的應(yīng)力有減小的趨勢，支撐剛度隨桿數(shù)的增加有增大的趨勢；在支撐單元連接體方面，馮海全等[6?7]對永久型腔靜脈濾器和可轉(zhuǎn)化型腔靜脈濾器的生物力學(xué)性能進行分析發(fā)現(xiàn)，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，減小或避免移動的風(fēng)險。以上研究都是對濾器在生物力學(xué)性能方面的研究，但在實際臨床應(yīng)用中，患者經(jīng)過一段時間的應(yīng)用，濾器在下腔靜脈血流流動及患者身體運動的影響，濾器在持續(xù)的外力作用下，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域。Kou 等[8]報道了一例置入Denali濾器的患者，在6 個月內(nèi)取出濾器時，發(fā)現(xiàn)濾器的部分組件斷裂，其中一個組件碎片由靜脈血流流至右心室位置，引發(fā)了危及生命的心臟栓塞；Dowell 等[9]報道了一例置入Günther Tulip 濾器的患者，在放置濾器10 年后，一根支撐桿發(fā)生了斷裂，導(dǎo)致患者引發(fā)了肺栓塞；根據(jù)程章等[10]的研究，濾器長期滯留于體內(nèi)是導(dǎo)致部分斷裂的關(guān)鍵原因；其中濾器傾斜貼壁，各個分支受力不均，血流動力學(xué)不斷的沖擊，成為濾器斷裂的最可能原因之一。因此有必要對濾器的疲勞強度展開研究。

本研究仿照已上市的7 種鎳鈦合金腔靜脈濾器和自主設(shè)計的1 種新型濾器共8 種濾器，應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS，數(shù)值模擬分析濾器在血管內(nèi)的周向載荷疲勞強度和徑向壓縮疲勞強度，研究腔靜脈濾器在人體內(nèi)的疲勞失效，為濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及評價提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 腔靜脈濾器

本研究中的8 種鎳鈦合金濾器模型，分別為：1)法國ALN 公司的ALN 濾器；2)美國Boston Scientific 的Greenfield 濾器；3)美國Cook Medical的Günther Tulip 濾器；4)德國B.Braun 的VenaTech LGM 濾器；5)美國Cordis 的TrapEase 濾器；6)深圳先健科技的Aegisy 濾器；7)美國Bard 的Denali濾器；8)自主設(shè)計的新型濾器。本文中自主設(shè)計的新型濾器為發(fā)明專利[11]“一種新型可回收型腔靜脈濾器”中所設(shè)計的新型腔靜脈濾器。根據(jù)陳思遠等[12]的研究，新型濾器相比其他7 種濾器，所具有的特點：在結(jié)構(gòu)上，相鄰的第一、第二支撐柱之間設(shè)置有過濾柱，過濾柱的上端與回收柱相連，下端設(shè)有過濾絲，是一款具有雙層結(jié)構(gòu)的濾器；在功能上，具有雙重定位、雙層過濾血栓的作用，保證濾器在血管中的穩(wěn)定性及更好的過濾血栓的性能，并且可以降低植入后血管內(nèi)血栓形成的風(fēng)險。利用三維建模軟件SolidWorks 構(gòu)建濾器模型，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，8 種濾器模型的最大外徑均為28 mm，濾器金屬絲橫截面積為0.3 mm×0.3 mm 的方形，金屬絲的厚度均為0.3 mm，由于各個濾器的結(jié)構(gòu)不同，部分濾器的金屬絲寬度不一樣；模擬血管內(nèi)徑為25 mm，壁厚為1.5 mm；壓握殼初始直徑為32 mm，模擬血管和壓握殼的長度均為80 mm。

圖1 8 種腔靜脈濾器模型Fig. 1 8 models of vena cava filters

1.2 材料模型

根據(jù)陳思遠[13]、馮海全等[14]和王惟顥等[15]的研究中，設(shè)置8 種腔靜脈濾器材料均為鎳鈦合金，密度為6.45 g/cm3，泊松比0.33；模擬血管和壓握殼為超彈性材料，其中壓握殼的彈性模量為300 MPa，泊松比為0.499；模擬血管的彈性模量為1.75 MPa，泊松比為0.45。在SolidWorks 中構(gòu)建好的8 種腔靜脈濾器模型導(dǎo)入Hypermesh 11.0中，濾器模型采用四節(jié)點線性四面體縮減積分單元C3D4R，網(wǎng)格尺寸0.2 mm；模擬血管模型采用八節(jié)點線性六面體縮減積分單元C3D8R，網(wǎng)格尺寸0.5 mm，厚度方向設(shè)置4 層單元；壓握殼采用四節(jié)點曲面薄殼或厚殼縮減積分單元S4R[5]，并采用增強型沙漏抑制算法控制沙漏的傳播來保證合理的計算精度[16]。

1.3 加載方式

周向疲勞強度分析時，首先對壓握殼施加徑向位移載荷，壓握殼將28 mm 的濾器壓握到5 mm，然后釋放到25 mm 的腔靜脈血管內(nèi)，通過對濾器和血管施加持續(xù)循環(huán)壓力來模擬人體下腔靜脈內(nèi)的脈動循環(huán)載荷。根據(jù)正常人體內(nèi)的血壓情況[17]，人體腔靜脈血壓值范圍為5 mmHg～10 mmHg，利用數(shù)值模擬分析濾器承受循環(huán)載荷的兩個極值為：5 mmHg 和10 mmHg，分別對應(yīng)壓力值0.0006 MPa和0.0013 MPa，周向加載過程原理示意圖如圖2所示。

圖2 周向加載過程示意圖 /mm Fig. 2 Schematic diagram of the circumferential loading process

濾器置入到人體下腔靜脈后，考慮到患者身體在置入術(shù)后的日常身體活動，例如彎腰、坐立和伸展等動作，設(shè)置一種極端情況，模擬濾器承受徑向壓縮載荷下的疲勞強度。根據(jù)發(fā)明專利[18]“一種腔靜脈濾器的制備方法”中提出的疲勞實驗方法，使濾器置入順應(yīng)性血管內(nèi)，平向壓縮5 mm。本文中的血管最大外徑在平向壓縮20 mm～25 mm變化時，分析濾器徑向壓縮載荷下的疲勞強度。徑向壓縮加載過程原理示意如圖3 所示。

圖3 徑向壓縮載荷過程示意圖 /mm Fig. 3 Schematic diagram of radial compression loading process.

1.4 評價方法

美國FDA 對血管支架的疲勞壽命有明確的要求，支架應(yīng)至少承受4 億次(相當(dāng)10 年)的血管脈動載荷下保持結(jié)構(gòu)完整，并不發(fā)生斷裂，以確保支架的安全性[19]。根據(jù)易沛林[20]的研究提出，血管支架的疲勞行為可以分為兩種：一種是應(yīng)力控制疲勞；另一種是應(yīng)變控制疲勞。其中鎳鈦合金材料的血管支架在脈動壓力下的疲勞行為屬于應(yīng)變控制型。Gong 和Pelton 等[21?24]的研究根據(jù)423 個試驗樣品繪制了鎳鈦合金材料的疲勞極限曲線，并且指出在高周循環(huán)載荷下的疲勞極限為0.4%。參考以上針對鎳鈦合金的疲勞分析方法，本研究中鎳鈦合金材質(zhì)的腔靜脈濾器采用Pelton等[21?24]繪制的疲勞極限圖判斷濾器的疲勞壽命。

根據(jù)式(1)和式(2)計算濾器全部節(jié)點的平均應(yīng)變和交變應(yīng)變，繪制疲勞極限圖。經(jīng)計算后，以散點圖繪制濾器全部節(jié)點的平均應(yīng)變和交變應(yīng)變，當(dāng)濾器所有節(jié)點的交變應(yīng)變值均在0.4%的疲勞極限以下，則理論上可以證明濾器在該工作條件下不會發(fā)生疲勞失效。根據(jù)式(3)計算疲勞強度的安全系數(shù)(Fatigue Safety Factor, FSF)[25]，其計算方法如下：

式中：δε為濾器的疲勞極限，即濾器發(fā)生疲勞失效的臨界交變應(yīng)變；δalt為濾器節(jié)點在脈動載荷下的交變應(yīng)變；δmean為濾器在脈動載荷下的平均應(yīng)變；δmax和δmin為脈動循環(huán)載荷過程中的最大和最小彈性應(yīng)變。

1.5 動物實驗方法

本實驗研究采用3 頭小香豬，性別不限，體重25 kg～30 kg。濾器是由深圳先健科技有限公司提供的Aegisy 濾器，此款濾器相對其他非國產(chǎn)的腔靜脈濾器更易在市場上獲得，所以選擇此款濾器作為動物實驗研究所用濾器。使用氯胺酮20 mg/kg，安定2 mg/kg 肌肉注射麻醉。經(jīng)耳緣靜脈建立通路，選擇一側(cè)股靜脈后，以推送桿將濾器推進至輸送鞘的頂端，明確位置后，在透視監(jiān)視下，右手固定推送桿，左手后退輸送鞘，直至濾器全部釋放。分別在14 d、21 d 和28 d 后采用經(jīng)股靜脈途徑，穿刺成功后插入10 F 回收鞘，以Snare 鵝頸圈套器鉤住濾器下端的缺口后，固定圈套器，上推回收鞘，將濾器收入回收鞘內(nèi)。使用硬組織切片機(EXAKT，德國)將標本行石蠟包埋并制作100 μm 厚片，再經(jīng)過洗片、磨片及拋光，最后制作成50 μm 左右的薄片，隨后切片進行蘇木素－伊紅染色(H-E 染色)及α-SMA 免疫組化染色，利用光學(xué)顯微鏡觀察腔靜脈行狹窄術(shù)后28 d 血管壁的組織結(jié)構(gòu)變化、血管內(nèi)膜增生等組織病理學(xué)變化情況及α-SMA 在標本組織中的表達情況。使用Image-Pro plus(Media Cybernetics, Inc.，美國)圖像處理軟件測量腔靜脈管壁內(nèi)膜厚度。

2 結(jié)果與討論

2.1 周向載荷下的疲勞強度

8 種濾器在周向載荷下的疲勞極限圖，如圖4所示。結(jié)果顯示，8 種濾器在承受周向載荷時，濾器所有節(jié)點的交變應(yīng)變值均位于疲勞極限曲線的下方，說明8 種濾器結(jié)構(gòu)是安全的，滿足疲勞強度和10 年疲勞壽命的要求。圖中紅點為濾器的最大交變應(yīng)變所對應(yīng)的最危險節(jié)點，8 種濾器中最危險節(jié)點的位置，大多處在支撐桿端部的連接處，或支撐桿與血管內(nèi)表面接觸處。濾器支撐桿不僅起到支撐定位濾器的作用，也受到周向載荷的作用，所以最危險節(jié)點較容易出現(xiàn)在此處。濾器的最大彈性應(yīng)變值最小。表1 為根據(jù)式(1)～式(3)計算的8 種濾器的周向疲勞強度的安全系數(shù)。結(jié)果顯示，濾器的安全系數(shù)均大于1，表明8 種濾器結(jié)構(gòu)是安全的，其中ALN 濾器的安全系數(shù)最高，新型濾器的安全系數(shù)最低，8 種濾器的周向疲勞強度的安全系數(shù)大小依次為，ALN 濾器>

圖5 為8 種腔靜脈濾器在釋放到25 mm 直徑的血管中計算周向疲勞強度時彈性應(yīng)變分布云圖，其中Aegisy 濾器的最大彈性應(yīng)變值最大，ALN

圖4 8 種濾器的周向疲勞極限圖Fig. 4 Circumferential fatigue limit curves of 8 filters

圖5 8 種濾器周向疲勞強度分析彈性應(yīng)變分布云圖Fig. 5 Elastic strain distribution cloud diagrams of 8 filters for circumferential fatigue strength analysis

表1 8 種濾器的周向疲勞安全系數(shù)Table 1 Circumferential fatigue safety factors of 8 filters

2.2 徑向載荷下的疲勞強度

圖6 為8 種濾器在承受徑向載荷下的疲勞極限圖。結(jié)果顯示，除新型濾器和TrapEase 濾器的

圖6 8 種濾器的徑向疲勞強度極限圖Fig. 6 Radial fatigue strength limit curves of 8 filters

Günther Tulip 濾器>GreenField 濾器>VenaTech LGM濾器>Denali 濾器>TrapEase 濾器>Aegisy 濾器>新型濾器。該8 種濾器的結(jié)構(gòu)由簡單至復(fù)雜，說明濾器的周向疲勞強度與濾器結(jié)構(gòu)有一定得關(guān)系。的血管中時的彈性應(yīng)變分布云圖，其中Aegisy 濾器的最大彈性應(yīng)變值最大，GreenField 濾器的最大彈性應(yīng)變值最小。表2 為根據(jù)式(1)～式(3)計算的8 種濾器的徑向疲勞強度的安全系數(shù)。從表中可知，GreenField 濾器的安全系數(shù)最大，TrapEase濾器的安全系數(shù)最小，并且除新型濾器和TrapEase部分交變應(yīng)變值處于疲勞極限曲線的上方，其余6 種濾器的交變應(yīng)變值均處于疲勞極限曲線的下方，說明新型濾器和TrapEase 濾器不滿足10 年疲勞壽命的要求。圖中紅點為濾器的最大交變應(yīng)變所對應(yīng)的最危險節(jié)點。其中Agisy 濾器、新型濾器和TrapEase 濾器的最危險節(jié)點均處于濾器支撐桿端部連接處，其余5 種濾器的最危險節(jié)點均處在靠近回收鉤一側(cè)的支撐桿端部。這是由于濾器的支撐桿受到徑向載荷后發(fā)生了彎曲變形，說明濾器承受平行載荷時最危險節(jié)點易發(fā)生在該處。

圖7 為8 種腔靜脈濾器在釋放到25 mm 直徑濾器的安全系數(shù)值均小于1，其余6 種濾器的安全系數(shù)均大于1。濾器徑向疲勞強度的安全系數(shù)大小依次為，GreenField 濾器>ALN 濾器>Günther Tulip濾器>Denali 濾器>Aegisy 濾器>VenaTech LGM 濾器>新型濾器>TrapEase 濾器。在這8 種濾器中，支撐桿的端部形狀各異，說明濾器徑向疲勞強度與濾器支撐桿端部連接結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖7 8 種濾器徑向壓縮疲勞強度分析彈性應(yīng)變分布云圖Fig. 7 Elastic strain distribution cloud diagrams of 8 filters in radial compression fatigue strength analysis

表2 8 種濾器的徑向疲勞強度安全系數(shù)Table 2 Radial fatigue strength safety factors of 8 filters

在徑向壓縮疲勞強度分析中，濾器和血管受到徑向壓縮加載的作用下，部分濾器沒有達到10 年疲勞壽命要求，這是由于：1)濾器處于一種較極端的載荷下工作的；2)可回收濾器在患者體內(nèi)的置入時間一般為1 月～3 月左右[26]，甚至更短約2 周左右。所以新型濾器與TrapEase 濾器盡管未滿足10 年的疲勞壽命要求，但仍可以作為臨時濾器使用。

2.3 動物實驗

置入14 d、21 d 后濾器縱行絲已被一層極薄而透明的內(nèi)膜覆蓋，其下縱行絲清晰可見。此時濾器雖然可以取出，但已較為固定，不可移動。用圈套器取出后下腔靜脈壁可見條狀內(nèi)膜撕脫，如圖8 所示，取出的濾器結(jié)構(gòu)完整無斷裂或裂紋，說明濾器滿足置入期的疲勞壽命的要求。置入28 d 以后濾器縱行絲表面的內(nèi)膜隨時間延長而不斷增厚，甚至可以超過外膜厚度的數(shù)倍以上。內(nèi)膜增生以濾器的上半部較下半部更為明顯，有1 例雖然可以圈套器套住濾器下端的缺口，并能夠順利上推回收鞘，但是至濾器縱行絲的上端時，內(nèi)膜生長緊密，無法繼續(xù)回收。

圖8 置入21 d 后取出的濾器Fig. 8 Filter taken after 21 days

濾器置入28 d 后內(nèi)膜增生情況如圖9 所示，濾器支撐架附近內(nèi)膜增生情況，該病理切片的厚度為50 μm，左圖為濾器支撐架間內(nèi)膜輕度增生，右圖內(nèi)膜明顯增厚。解剖標本觀察到濾器縱行絲表面覆蓋的內(nèi)膜隨著時間延長，顏色由半透明乳白色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕c附近正常內(nèi)膜完全相同，其下的金屬絲可見度越來越低，直至與周圍粘膜完全融為一體，下腔靜脈始終保持通暢，剪開下腔靜脈后沒有發(fā)現(xiàn)血栓形成或阻塞。

圖9 濾器置入28 d 后內(nèi)膜增生情況Fig. 9 Intimal hyperplasia after 28 days of filter placement

3 結(jié)論

本研究利用有限元分析方法，模擬分析了兩種工況下腔靜脈濾器的疲勞強度，并實驗驗證了一款濾器的安全性，對今后濾器的設(shè)計研發(fā)及性能評價提供科學(xué)的參考。

(1)有限元分析方法可以很好地評價周向和徑向載荷下腔靜脈濾器的疲勞強度，8 種濾器都滿足周向載荷下的強度條件和10 年疲勞壽命要求，可作為永久性濾器使用。

(2)濾器在徑向載荷下的疲勞強度分析結(jié)果顯示，新型濾器和TrapEase 濾器可作為臨時濾器使用，其余6 種濾器都滿足疲勞強度要求，預(yù)測在更復(fù)雜的病變中能正常使用。

(3)動物實驗驗證了Aegisy 濾器置入后21 d后的結(jié)構(gòu)完整性，同時驗證了在有限元模擬分析的正確性，濾器置入后的長期安全性有待于今后進一步研究。