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基于ABAQUS的冠脉支架设计的有限元分析
刘祥坤，余嘉，牛鑫瑞
微创医疗器械（上海）有限公司，上海，201200
摘要：借助Abaqus有限元分析平台对冠脉支架的介入输送过程进行数值分析，并利用Goodman
准则对支架在血管脉动载荷下的疲劳寿命进行评估，来综合评价冠脉支架设计的合理性。结果表
明：有限元分析可以作为冠脉支架性能分析的有效手段，为支架设计和优化提供一定的指导依据。
关键词：冠脉支架；介入治疗；结构设计；Abaqus
1.前言
心血管疾病的发病率一直较高，严重威胁着人类的健康。近年来介入治疗以其创伤小、
简便、安全、有效、并发症少和住院时间明显缩短成为目前治疗该疾病的主要手段。
冠脉支架的设计是一门涉及到材料、机械、生物医学、化学、计算机等多个学科的综合
技术。在实际使用中对支架介入体内的性能要求很高，所以在支架的设计过程中需要通过体
外实验和动物体内实验验证支架的各种性能，对支架结构进行修正和优化，带来了高额的实
验费用和主观不确定性，导致研发成本大大提高。因而将有限元法(Finiteelementmethod，
FEM)应用到冠脉支架设计及其介入行为的研究和分析，具有重要的意义，近几年来国内相
继开展了此项研究。本文从冠脉支架输送和临床使用的实际情况出发建立有限元模型，系统
地分析了支架压握、压握回弹、扩张、扩张回弹、轴向短缩，评价了血管外载荷作用下冠脉
支架的疲劳寿命，对支架设计进行指导和修正。
2.材料和方法
2.1支架有限元模型建立
本论文所涉及到的冠脉支架是球囊扩张式支架，支架系统由球囊导管和支架构成，支架
压握在球囊上。支架由管材经过激光切割加工而成，然后经过酸洗、热处理、抛光、喷涂等
处理后形成半成品，然后压握在球囊上，临床使用时通过球囊扩张打开支架。根据支架输送、
使用的实际情况，有限元模型包括球囊、支架和压握工具[1]
。
本研究的支架设计采用对称设计，考虑到计算成本和收敛难易性，因而建模时取支架周
向的1/3，轴向的1/2部分进行建模。利用前处理软件进行网格划分后导入到Abaqus中。网
格划分时，支架在弯折处和连接杆处网格划分加细。分析时不考虑支架的顺应性，球囊和压
握工具利用刚性管代替。有限元模型见图1。
图1.支架分析有限元模型
2.2材料模型和边界条件
支架所使用的材料是L605钴铬合金。支架在使用过程中靠材料的塑性变形支撑血管的
病变部位。扩张过程牵涉到几何非线性、材料非线性，使用的屈服准则是各向同性线性等向
强化。材料曲线是通过拉伸实验测量，弹性模量是235GPa[2]
，选用的泊松比是0.3。
模型的边界条件是：固定支架轴向一端在轴向的位移，另一端无约束；在支架对称面上
实行对称约束，球囊、压握工具约束周向位移。多载荷步分析时，首先施加压握工具圆心方
向上的位移达到压握尺寸，再撤去压握工具，来模拟压握和压握回弹；其次施加球囊圆心方
向上的位移，达到扩张内径，然后去除球囊，模拟扩张和扩张回弹；最后在支架外表面施加
外载荷，模拟血管脉动对支架的影响。
3.结果和讨论
3.1应力分布分析
有限元分析结果表明，支架压握时支架向内收缩，结构产生较大的变形，包含弹性变形
和塑性变形，由于受到压握工具的约束弹性能得不到释放，表现为大范围的应力存在，且应
力值较大，其中最大应力分布于支架弯折部位的侧内表面，见图2中的压握等效应力分布图。
压握回弹阶段去除压握工具后，弹性变形得以恢复，处于弹性范围内的应力得到释放，两个
弯折位置之间的波杆处的应力降到很低的水平，不过由于连接杆的存在，部分波杆的应力没
有降到最低，高应力仅分布于支架的弯折位置，如图3所示。扩张过程中使用球囊扩张支架，
与压握状态类似，支架大部分位置存在较大的应力，如图4所示，并且扩张时的极值应力急
剧增大，弯折处位置内表面应力达到最大值，但是在支架的波杆部分应力相对较小，这种情
况与实际情况相符。该结构的支架其压握和扩张实际上是通过使弯折位置的角度闭合和张开
来实现的，而波杆部分则起到一个连接杠杆的作用，因此弯折位置在整个过程必然会出现最
大的变形和最大的应力。当球囊位移反向归零位来模拟扩张回弹时，支架的应力大幅减小，
如图5所示，其中极值应力只是扩张状态时的1/3，应力分布情况比较类似，说明在扩张过
程中支架发生大变形，并且大部分发生了塑性变形，正是这个塑性变形起到了对血管的支撑
作用。施加血管脉动载荷后，相较于扩张回弹阶段支架的最大等效应力变化较小，说明这种
结构的支架的支撑能力较强，其极值点同样位于支架的弯折位置的内表面，如图6所示。
从整个介入输送过程应力结果的分析来看，支架的应力分布在各个阶段都有相同的趋
势，即高应力区域集中在支架的弯折位置，低应力