可转化腔静脉滤器的生物力学性能分析

冯海全，王 坤，李治国，仇洪然

（内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

腔静脉滤器（venacavafilter，VCF）是防止深静脉栓塞（Deep Venous Thrombosis，DVT）和肺动脉栓塞（Pulmonary Embolism，PE）的一种植入性医疗器械。该装置能很好的过滤血栓，不形成明显腔静脉阻塞，并在一定时间内不干扰腔静脉血液动力学。随着介入医学技术的发展，腔静脉滤器作为治疗DVT和PE的有效方法之一，在临床上得到了广泛的应用。但同时也存在着相关的问题，已研制出的腔静脉滤器并不能满足患者需求。可转换型滤器使用中完成捕获血栓后，可以将滤器转换为支架，从而避免长期植入时的并发问题[1]。

近年发展起来的计算流体动力学技术（CFD），使模拟不同结构动脉内的血流状态成为可能[2]。学者们经过科学研究，对腔静脉滤器进行了相关的报道。文献[3]对比分析了几种腔静脉滤器过滤不同血栓的情况，根据捕捉率定量评价了滤器的过滤效果，为滤器的使用提供了重要的参考。文献[4]利用粒子成像测速方法测试了3种腔静脉血液中的血流动力学特性，系统评估了静脉内血栓形成机理，为临床治疗提供了帮助。针对永久性滤器和可回收滤器展开的临床研究报道较多，但是国内外有关可转化腔静脉滤器的力学性能方面的相关报道很少。为了探索可转化腔静脉滤器在体内对血管和血流的影响情况，提出适合滤器耦合扩张的有限元分析方法，模拟分析了一种新型可转化腔静脉滤器的生物力学和血流动力学性能，为滤器结构设计及优化提供重要的理论依据。

2 材料与方法

2.1 材料模型

腔静脉滤器是使用超弹性NiTi合金材料，一般是经过激光雕刻、热定型、电解抛光等工艺制作而成。根据文献[5-6]中的报道，本材料模型是使用相同NiTi合金管材测得的力学性能参数作为模型的材料属性，管材的应力应变曲线，如图1所示。NiTi合金是形状记忆合金材料，建立滤器模型时采用ABAQUS软件中专用的模块对其进行了设定。腔静脉内部含有弹性纤维，是属于肌肉型静脉，分析时将腔静脉血管设定为超弹性连续实体模型。

图1 NiTi合金应力-应变曲线Fig.1 The Stress-Strain Curve of NiTi

2.2 几何模型

滤器模型是根据一种可转换腔静脉滤器专利[7]中的模型建立，如图2所示。分析时，应用Solidworks软件建立滤器及血管三维模型。滤器主要包括：支撑元件、过滤元件和锁扣元件，在溶栓治疗完成后打开锁扣元件，过滤元件自然转换成支撑元件，实现滤器转换支架的过程。滤器转化前模型外径32 mm，支撑体长度32 mm，壁厚0.30 mm。将模型导入到ABAQUS软件中，完成生物力学性能的模拟分析。固体有限元模拟分析后，分别提取变形后的滤器与血管模型，导入Fluent软件中进行血流动力学分析。

图2 滤器三维几何模型Fig.2 3D Models of the Vena Cava Filter

2.3 网格划分

滤器和血管模型都是应用Hypermesh软件进行网格划分的。参考文献[8]的研究方法对滤器有限元模型进行网格划分，采用混合网格进行网格划分，滤器模型采用4面体网格，为了准确表达边界层内流动参数设置了2层单元。根据文献[9]的方法建立了血管模型，并进行了网格划分。

2.4 边界条件和载荷定义

根据腔静脉滤器在血管内的变形行为，滤器初始外径32mm，体外压握至外径5mm，植入后经卸载可释放到（20～28）mm的血管中。滤器植入过程是通过支撑体表面施加力的方式实现，使滤器由原始状态压握后再释放在28mm的血管中，滤器释放后与腔静脉内壁接触，使血管自然撑起。根据流体模型的边界条件[10-11]：入口血流流速最大值为0.1m/s；出口为压力出口，出口压力为0；血管壁上流体轴向速度为u=0。

2.5 流体有限元模型

计算流体动力学遵守质量和动量守恒定律，其连续方程表示为：

动量守恒方程表示为：

式中：ρ—密度；t—时间；U—速度矢量；u、v、w—速度矢量；μ—动力黏度；Su、Sv、Sw—动量守恒方程的广义源项。

流体动力学分析时，不考虑能量守恒方程，采用标准层流模型对装置内的三维定常流场进行分离式隐式求解滤器系统的流体有限元方程。

3 结果与分析

3.1 固体有限元分析

滤器转化前后在腔静脉内释放后的应力分布图，如图3所示。图3（c）和图3（d）为滤器转化前后腔静脉应力分布图。滤器转化后最大应力、血管最大应力和滤器支撑刚度，如表1所示。滤器转化前后的最大应力分别为19.82和16.95Mp，转化前滤器上的应力峰值较大。滤器转化前最大应力集中在过滤网与支撑体交接处，此处是容易发生断裂的位置，因此结构设计时需要注意此处的强度。滤器转化后受到的应力峰值比转化前小，断裂风险降低。转化后高应力区域位于上侧支撑体内部圆环处，在长时间的脉动载荷下此处易发生断裂。

滤器转化前后的血管最大应力分别为17.17和18.17Mp，滤器转化后血管的应力峰值较大。滤器在释放和植入后对血管壁造成的机械损伤会引起并发症。滤器转化前支撑体与过滤网连接位置对血管应力峰值最大，上侧支撑体次之，支撑体中间位置对血管的影响相对较小；转换后支撑体上下位置处对血管的损伤程度基本一致且引起血管壁的应力峰值比转化前有所减小。血管上的应力较大的位置，说明滤器对血管内皮细胞造成损伤程度也大，所以内膜增生首先在支撑体与过滤网连接处开始，随后延着支撑体方向增长。

滤器支撑刚度的计算方法参考文献[9]的研究。滤器转化前的支撑刚度为0.0579，转化后的支撑刚度为0.0495N/mm，滤器转化前的支撑刚度相对比转化后的大。说明转化前有较好的支撑性能，转化后支撑性能有所下降，存在移位的风险。

图3 滤器和血管在扩张卸载后的最大等效应力（a、c）转化前（b、d）转化后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 滤器的生物力学性能Tab.1 The Mechanical Properties for Vena Cava Filter

3.2 流体动力学分析

图4 滤器流体分析结果云图（a、b）滤器转化前、后中间切面速度云图（c、d）滤器转化前、后压力分布云图（e、f）滤器转化前、后滤器表面剪应力分布云图（g、h）滤器转化前、后血管表面剪应力分布云图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

根据文献报道[9，12]，血管内血液流动特性与植入器件的结构形状密切相关。图4为滤器转化前后的切面速度、压力、表面剪应力以及血管表面剪应力分布云图。滤器转化前后的各项流体力学性能数值，如表2所示。图4（a）和图4（b）速度云图显示，滤器转换前的出口速度为0.128m/s，转换后的出口速度为0.115m/s，说明滤器的植入有一定的加速作用。血管中间区域的速度较小，尤其靠近血管两侧区域速度非常的低，在这些低流域区易形成血栓。图4（c）和图4（d）压力云图显示，血液经过滤器后压力由13.5Pa变为7.3Pa，有降低的趋势，只有在进口接近滤器支撑体壁面处压力较高。图4（e）～图4（h）剪应力云图显示，滤器转化前后的支撑体下部壁面剪应力值0.768Pa均＞支撑体上部壁面剪应力值0.153Pa，此处不宜形成血栓；支撑体上部壁面剪应力值均小于壁面剪应力，此处易形成血栓。滤器转化前后的血流出口流速大于入口流速，滤器对血流有一定的加速作用，有利于过滤血栓的功能。滤器转化前过对血流有一定的阻碍作用，局部出现了低流域区，使得血液在该处形成血栓的可能性变大。转化后流速降低，过滤网后端速度突变区域减少，扰动区域减少，滤网对血流阻碍降低，滤器转化头内流速、压力和剪应力较低，易形成血栓且堆积在转化头内，使得滤器转化难度变大。

滤器植入后支撑体附近区域内壁面剪应力均＜正常静脉壁面剪应力0.5Pa，增生首先易在支撑体下部与过滤网连接部位形成，这与固体分析结果一致。在上端两个支撑体中间位置，再次在下端两个支撑体中间位置，最后在支撑体上形成“爬皮”现象，内膜增生现象终止于支撑体上部位置。滤器转化前后剪应力分布规律基本一致，转化后最大应力具有减小的趋势。滤器过滤效果主要取决于过滤网前端，其剪应力越大过滤效果越好。滤器转化后转换网后端仍有一定的过滤作用，但效果不明显。

表2 滤器的流体力学性能Tab.2 Fluid Mechanical Properties of the Vena Cava Filter

4 结论

（1）滤器力学性能分析结果显示，转化后的滤器和血管的最大应力下降，过滤杆刺入血管的深度减小，对血管造成的机械损伤减少；滤器转化前的支撑刚度高于转化后的支撑刚度，这有利于滤器的定位，减小或避免移动的风险。（2）血流动力学分析结果表明，滤器转化后血流流速和雷诺系数降低，减少对血液的阻碍作用，易在支撑杆表面形成爬皮现象，有益于滤器转化为支架后的定位，并且滤器转化后转换网后端仍有一定的碎栓效果。（3）滤器转化后有较好的血流动力学效果和生物力学性能，转化后随着应力的下降，有效减少对血管壁的损伤和血流动力学的影响，这为新型滤器的结构设计及优化提供重要的参考依据。