心血管支架移植模擬分析（ANSYS_APDL命令流）

芷行說

2021年1月24日 19:57

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本文共1655字，11圖。

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前言

心血管支架移植模擬分析（ANSYS_APDL命令流）的圖2

心血管支架手術方法很容易理解，醫生先將極細的導管通過血管伸到動脈狹窄的部位；然后，用一個可充盈的膠皮氣球將狹窄部位撐開；最后，將動脈支架撐在已被擴張的動脈狹窄處，防止其回縮。退出所有的導管后，動脈支架就留在了已經被擴張的動脈狹窄處。

心血管支架移植模擬分析（ANSYS_APDL命令流）的圖3

因此，分析這樣一個心血管支架模擬問題關鍵也在于三點。

模擬血管被充壓膨脹；
支架與血管作用，起支撐作用；
充壓結束后，血管和支架有一定回彈。

采用ANSYS——APDL命令流的關鍵仿真模擬技術：

Mooney-Rivlin超彈性材料模型建立
接觸設置
生死單元技術
多點約束技術
多載荷步技術
非線性計算穩定性優化

計算結果

心血管充壓模擬：

心血管支架移植模擬分析（ANSYS_APDL命令流）的圖5

心血管釋壓后由支架支撐血管張口大小模擬：

心血管支架移植模擬分析（ANSYS_APDL命令流）的圖6

模型建立

一、血管阻塞模型

血管阻塞模型簡化為兩層，一層為動脈壁，一層為硬化的斑塊。截面圖如圖示。

心血管支架移植模擬分析（ANSYS_APDL命令流）的圖8

心血管支架移植模擬分析（ANSYS_APDL命令流）的圖9

其中，動脈壁和硬化的斑塊都采用3D實體單元建立。

動脈壁單元建立需要注意：(1)采用簡化的應變強化的單元技術來表示彈塑性材料的應變強化行為。(KEYOPT(2)=3)，(應變強化為彈塑性力學里面的知識，感興趣讀者可以查閱學習)。(2)采用混合U-P技術來解決與不可壓縮生物體組織材料的體積鎖定行為。（體積鎖定是由于不可壓縮材料或者近似不可壓縮材料的泊松比接近0.5，根據體積模量公式：K=E/[]3*(1-2*v)，當泊松比接近0.5，體積模量接近無窮，體積難以變形，導致體積鎖死。）

ET,9,SOLID185 !185實體單元
keyopt,9,6,1 !混合U-P技術
keyopt,9,2,3 !簡化的應變強化單元技術

二、支架模型

為了提高計算效率，支架采用圓形截面的梁單元建立，如果采用實體單元，支架的細小結構需要很精細的網格才能比較容易收斂。

ET,1,BEAM189SECTYPE,1,BEAM,CSOLID   !圓截面梁單元
SECDATA,0.05            !圓截面面積

先畫出支架模型的線性模型[文獻1]，利用梁單元進行網格劃分，如下圖示。

心血管支架移植模擬分析（ANSYS_APDL命令流）的圖10

三、支架與硬化阻塞斑塊的接觸模型

上述模型建立后，需要建立支架和硬化阻塞斑塊內壁的接觸行為，本文采用線面接觸，對支架賦予接觸單元CONTA177的特性，對硬化阻塞斑塊內壁單元賦予目標單元TARGE170 的特性。

心血管支架移植模擬分析（ANSYS_APDL命令流）的圖11

材料參數

本文涉及的材料主要有兩類：(1)用于支架和硬化阻塞斑塊的線彈性材料；(2)用于動脈的Mooney-Rivlin超彈性材料

心血管支架移植模擬分析（ANSYS_APDL命令流）的圖13

具體的超彈性材料指定命令流如下：

!=========================================================!Define 5 parameter Mooney-Rivlin hyperelastic artery material model 
c10=18.90e-3
c01=2.75e-3
c20=590.43e-3
c11=857.2e-3
nu1=0.49
dd=2*(1-2*nu1)/(c10+c01)
tb,hyper,2,,5,mooney
tbdata,1,c10,c01,c20,c11,,dd
!=========================================================

邊界&載荷條件

動脈的左端面和右端面采用多點約束(MPC)將作用在端面上的位移載荷約束分布到接觸節點處，這里位移約束為0。（這里讀者可以嘗試對比用這種MPC技術對左右端面節點進行約束和直接將左右端面節點自由度固定兩種方式的計算結果的不同。多點約束應用非常廣泛，讀者可以參考資料自行學習）

此外，支架的左右端面的節點約束與動脈左右端面的節點約束相同。

心血管支架移植模擬分析（ANSYS_APDL命令流）的圖15

求解設置

非線性靜態計算,計算過程中接觸參數自動優化以更好的收斂。

antype,0    ！靜態計算
nlgeom,on   ！非線性開
cncheck,auto  ！接觸參數自動優化

載荷步預覽：

心血管支架移植模擬分析（ANSYS_APDL命令流）的圖17

載荷步1：

載荷步1模擬動脈血管充壓膨脹，以防止支架。此時，支架模型單元(被殺死)不起作用，即利用單元生死技術。

ekill,contact2   ！殺死支架-硬化阻塞斑塊接觸單元，支架單元被自動忽略

載荷步2，3：

充壓(載荷步1)后激活支架-硬化阻塞斑塊接觸單元，添加支架后血管會自動平衡。

載荷步4：

釋壓后，血管內只有血壓作用，此時硬化阻塞斑塊接觸單元被支架支撐，即血管被撐開以通流。這里的非線性計算中采用了基于能力損耗的的穩定性算法以提高收斂。

stab,const,energy,0.1 ！應用穩定性算法，提高收斂

資料參考

[1] Lally, C., Dolan, F, & Pendergrast, P. J. (2005). Cardiovascular stent design and vessel stresses: a finite element analysis. Journal of Biomechanics. 38: 1574-1581.

[2] 多點約束http://blog.sina.com.cn/s/blog_6817db3a0100l1yu.html

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