动脉粥样硬化是一种常见的心血管疾病，患者的动脉会因斑块积聚而变得十分狭窄。动脉粥样硬化的一种常见治疗方法是经皮腔内血管成形术，这种手术可以清除或抑制患者冠状动脉中积聚的多余斑块,在一些情况下医生在进行治疗时，会在阻塞的动脉中插入一个小小的金属丝网状管，即所谓的支架。
支架到达预定位置后，利用了血管成形术的球囊，将自身固定在动脉的堵塞部位，可以随着球囊一起膨胀，从而卡住扩张部位。球囊放气后取出，只留下支架支撑动脉。膨胀的支架发挥了类似于脚手架的功能，它有助于血管保持畅通，促进血液正常流动。如果支架端部的扩张程度超过中间段（这类易发生的缺陷被称作 dogboning效应），动脉可能遭受严重的损伤。另一个潜在问题是前缩，它导致支架难以放置，而且可能损伤动脉。
为了顺利进行手术，并尽量减少潜在的健康危害，支架设计必须经过全面的研究和优化，CAE仿真能够有效帮助进行支架设计的评估工作。下面我们元王为大家介绍支架在手术过程仿真分析。
以某支架模型为例进行分析，支架的原始直径为 0.74 mm，扩张后，中段的直径为2 mm。此模型分析了管的内表面受径向向外的压力后，致使不锈钢支架膨胀而产生的应力和形变。（压力表示球囊扩张。）因为支架几何结构具有对称性，所以我们可以将模型的尺寸减小为原始几何结果的1/24，从而最小化仿真的计算成本。
非线性结构力学的分析结果
首先，我们观察一下支架在手术过程中经受的各种应力和应变。下方左图显示了球囊膨胀最大时支架中的应力分布，右图为球囊放气后支架中的残余应力。不出所料，球囊放气后，支架中的应力减少。
接着，分析在球囊膨胀过程中，dogboning效应（蓝色）和前缩（绿色）产生的影响与压力之间的关系。根据绘图，我们能够排查出支架设计中潜在的不利因素，并优化其性能。
我们分析了当 dogboning效应最大时管内的有效塑性应变。dogboning效应最大时的有效塑性应变和形变，峰值约为25％。至于回缩率参数，纵向回缩率约为-0.9％，远端径向回缩率约为0.4％，中心径向回缩率约为0.7％。根据这些参数，我们可以详细推测出膨胀的球囊被移除时支架的性能表现。
以上案例利用CAE仿真知识，医疗研究人员能够有效改进支架的设计，并优化其在生物医学应用中的应用。除了外科手术过程中所需的医疗设备，有限元分析技术还在生物医疗其他领域广泛应用，并为人们的生命健康提供更多帮助。