盛章 王
复旦大学 航空航天系 生物力学研究所（上海 200433）,
Institute of Biomechanics, Department of Aeronautics and Astronautics, Fudan University, Shanghai 200433, P.R.China
复旦大学 工程与应用技术研究院 生物医学工程技术研究所（上海 200433）,
Institute of Biomedical Engineering Technology, Academy of Engineering and Technology, Fudan University, Shanghai 200433, P.R.China
云寒 蔡
复旦大学 航空航天系 生物力学研究所（上海 200433）,
Institute of Biomechanics, Department of Aeronautics and Astronautics, Fudan University, Shanghai 200433, P.R.China
庄源 孟
复旦大学 航空航天系 生物力学研究所（上海 200433）,
Institute of Biomechanics, Department of Aeronautics and Astronautics, Fudan University, Shanghai 200433, P.R.China
晓龙 张
复旦大学 航空航天系 生物力学研究所（上海 200433）,
Institute of Biomechanics, Department of Aeronautics and Astronautics, Fudan University, Shanghai 200433, P.R.China
新健 杨
复旦大学 航空航天系 生物力学研究所（上海 200433）,
Institute of Biomechanics, Department of Aeronautics and Astronautics, Fudan University, Shanghai 200433, P.R.China
智慧 董
复旦大学 航空航天系 生物力学研究所（上海 200433）,
Institute of Biomechanics, Department of Aeronautics and Astronautics, Fudan University, Shanghai 200433, P.R.China
复旦大学 航空航天系 生物力学研究所（上海 200433）,
Institute of Biomechanics, Department of Aeronautics and Astronautics, Fudan University, Shanghai 200433, P.R.China
复旦大学 工程与应用技术研究院 生物医学工程技术研究所（上海 200433）,
Institute of Biomedical Engineering Technology, Academy of Engineering and Technology, Fudan University, Shanghai 200433, P.R.China
复旦大学附属华山医院 放射科（上海 200040）,
Department of Radiology, Huashan Hospital, Fudan University, Shanghai 200040, P.R.China
首都医科大学附属北京天坛医院 神经介入科（北京 100070）,
Department of Neuroradiology, Beijing Tiantan Hospital, Capital Medical University, Beijing 100070, P.R.China
复旦大学附属中山医院 血管外科（上海 200032）,
Department of Vascular Surgery, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, P.R.China
王盛章，Email：
nc.ude.naduf@gnawzs
脑动脉瘤的介入栓塞治疗即通过介入方式植入栓塞材料如弹簧圈、血流导向装置等以减小动脉瘤囊内的血流速度，促进囊内血栓的形成，从而实现动脉瘤的治疗
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。尽管脑动脉瘤的介入栓塞在临床上已经取得了非常好的治疗效果，但是存在一定的复发风险，具体表现为动脉瘤再生长或再出血
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，栓塞不完全和动脉瘤颈部较宽是复发的重要风险因素
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；采用网孔较密的血流导向装置可以提高动脉瘤栓塞效果，但由于囊状动脉瘤常出现在动脉分叉处，过密的网孔又有可能会阻塞侧枝血管，引发脑梗
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。因此，如何优化手术方案，提高动脉瘤栓塞成功率，降低复发率，以及寻找到能够平衡或兼顾动脉瘤栓塞效果和侧枝血管供血的支架网孔密度，是临床上亟待解决的问题，也是脑动脉瘤介入器械研究的重点。
胸主动脉腔内修复术（thoracic endovascular aortic repair，TEVAR）是主动脉夹层治疗的重要手段。它是通过覆盖主动脉夹层近心端破口，即封堵夹层内膜破裂口，防止血液继续流向假腔，扩张主动脉真腔，从而起到恢复真腔血供、促使假腔血栓化以及主动脉重塑的作用
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，已经成为治疗急性复杂性 Standford B 型主动脉夹层的主要方式
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。然而覆膜支架在植入使用过程中也常出现一些问题，如支架未能完全释放或是支架强行撑开血管，撕裂划伤血管壁出现新发破口；支架弯曲变形使覆膜褶皱无法完全贴附血管壁，或者因过度褶皱产生裂缝而形成内漏等
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无论是脑动脉瘤介入栓塞后出现破裂或者复发，还是主动脉夹层 TEVAR 治疗后出现内漏和新发破口，都与血管壁、血流以及植介入器械之间相互作用后血管壁所处的力学环境如应力、应变等密切相关
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。有学者利用体外物理模型实验和动物实验对相关问题进行了研究，但是存在实验周期长、成本高、各种力学参数测量困难等问题。随着数值建模和仿真技术的快速发展，基于有限元方法的数值仿真为解决这些问题的研究提供了新的可能。有限元虚拟仿真可以准确获得支架植入后血管壁的应力和应变等参数，可以定量研究力学环境的变化与相关并发症之间的关系，从而为介入手术的术前规划和进一步优化治疗方案提供依据。
1. 材料和方法
将血管支架植入人体之前进行模拟手术可以更好地了解其效果以及评估可能的并发症，减少手术中的风险。血管支架虚拟植入的方法可以分为两种，一种是基于计算机图形学的快速虚拟植入方法，另外一种是基于有限元仿真的虚拟植入方法。基于计算机图形学的快速虚拟植入方法包括基于单纯性网格的方法和基于弹簧理论的方法，这一类方法具有方法简便、计算快速等优点，但是无法获得植入支架后的血管壁和支架上的应力和应变等参数，而且也很难模拟血管壁的变形等情况
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。而有限元方法可以在仿真中考虑血管壁和支架的相互作用，既可以模拟整个植入过程，也可以获得各种力学参数。本课题组对编织型脑血管支架和主动脉覆膜支架的有限元虚拟植入进行了较为深入的研究，建立了血管支架虚拟植入的数值仿真平台，利用该仿真平台可以模拟支架植入的整个过程，获得血管壁在整个过程中的应力和变形等参数，定量比较不同植入方式的差别，使脑动脉瘤和主动脉夹层等出血型心脑血管疾病的介入手术规划成为可能。
1.1. 编织型脑血管支架的有限元虚拟释放方法
编织型支架常用超弹性的镍钛合金丝制成，丝与丝之间可以产生一定的滑移，相对于光刻型支架约束较少，具有非常好的柔顺性。编织型支架在被压握到微导管中时，结构刚度比较低，也更容易通过弯曲程度较高的血管到达动脉瘤位置。优异的性能使得编织型支架占据了脑动脉瘤辅助栓塞支架接近一半的市场份额，常用的编织型支架有 LVIS 和 LVIS Jr.（MicroVention，美国）、Leo+和 Leo+ Baby（Balt，法国）等。通过采用更细的丝材实现更高的网孔密度，达到血流导向的目的，现已投入临床应用的三款血流导向装置——Tubridge（MicroPort，中国）、Pipeline（Medtronic，美国）和 Silk（Balt，法国）均为编织结构，且在临床应用中获得了不错的治疗效果
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。
编织型支架的快速虚拟释放方法可以得到释放后的支架形态，但这种方法仍存较大的局限性。一方面，快速虚拟释放方法通常将血管壁视为刚性壁，而在临床使用中观察到，支架的植入会使血管的形态尤其是血管的曲率发生一定的改变
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。另一方面，不同于压握后长度无明显增加的光刻型支架，编织型支架直径缩小时，支架丝的旋进角度（指支架丝切向与支架轴线的夹角）变小，压握后的支架长度会明显增加。例如，初始旋进角为 60° 的编织型支架被压握至微导管内径，压握后长度接近初始长度的 2 倍，而在释放到目标血管中后，长度又会回缩到接近原始长度。编织型支架释放时明显的短缩现象，给医生的操作和有限元模拟都带来了一定的难度。但这种特性也使得医生可以通过“推密”操作——在推出一部分支架后通过微导管和导丝的配合在轴向上对支架进行压缩——来提高支架在瘤颈口的网孔密度和金属覆盖率，促进动脉瘤内部栓塞的形成。现有的虚拟快速释放方法无法复现编织型支架释放时的短缩和“推密”操作，因而其结果可能与真实手术中的支架形态和血管形态存在较大的偏差。而有限元方法可以同时考虑支架和血管的力学行为以及支架与血管的接触，从而有效解决上述问题。
编织型支架的特殊结构，为其带来优异的柔顺性、易输送性的同时，其短缩效应和可“推密”的特点，也为手术释放和有限元模拟其过程增加了很多难度，常规的光刻型支架在患者特异性血管中释放过程的有限元模拟流程，并不适用于编织型支架的模拟。因而，目前对于编织支架的有限元模拟，大多在讨论编织方式、丝径、材料属性、尺寸对于支架的柔顺性、弯曲后形态、屈曲失稳等力学行为的讨论
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。Fu 等
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用有限元模拟了编织型血流导向装置在带动脉瘤的直血管的释放过程。Meng Hui 团队
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对于编织支架在真实血管中释放过程的有限元模拟开展了一系列研究，将编织型血流导向装置植入到三维（three-dimensional，3D）打印的患者血管-动脉瘤模型中，再利用有限元方法对实验的植入过程进行了还原，获得了接近实验结果的模拟释放结果
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。在其有限元模拟中，血管被假设为刚性壁，这与该实验中采用的 3D 打印血管结构一致，血流导向支架用梁单元近似，微导管采用壳单元模拟，保证了对支架和微导管的结构和力学行为的近似程度，避免了大量采用实体单元带来的高计算成本。但由于其模拟过程中的边界条件依赖于对体外实验操作过程的记录，该模拟方法难以用于手术规划。
本课题组开发了一种基于有限元方法的编织型支架在具有患者特异性的血管中的虚拟释放方法
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。观察编织支架真实手术释放过程的录像，发现支架被推出微导管后，微导管开口基本处于血管中心线附近，基于这一发现，有限元模拟采取了释放过程中微导管中心线与血管中心线保持一致的假设。以下以一款 LVIS 支架在带瘤的前交通动脉中的释放过程为例进行解释。首先从复旦大学附属华山医院获得一例脑动脉瘤患者术前行计算机断层成像血管造影（computed tomography angiography，CTA）的影像数据，使用 Mimics 20.0（Materialise，Leuven，比利时）进行 3D 重建得到三维几何模型，同时提取其中心线。血管壁的壁厚取 0.3 mm，采用壳单元进行网格划分。本研究经复旦大学附属华山医院伦理委员会批准。血管壁为均匀、各向同性的线弹性材料，杨氏模量为 1 MPa，泊松比为 0.49
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。支架模型基于患者真实手术中采用的 4.5 mm*12 mm LVIS 支架（MicroVention—Terumo，Tustin，美国），利用 pyFormex 进行绘制并生成 inp 文件，导入到 ABAQUS/CAE 2017（SIMULIA，Province，美国）中赋予材料属性，材料参数为常用的镍钛合金材料参数，网格单元类型为 B31 单元。压握管和输送管（即微导管）在 ABAQUS/CAE 2017 中绘制，网格类型为四边形壳单元。各部件初始装配位置如
所示，释放过程利用 ABAQUS/Explicit 2017 进行仿真。
