狭窄血管内适形贴壁支架的结构设计及生物力学性能的数值分析

Abstract

To solve the problem of stent malapposition of intravascular stents, explore the design method of intravascular body-fitted stent structure and to establish an objective apposition evaluation method, the support and apposition performance of body-fitted stent in the stenotic vessels with different degrees of calcified plaque were simulated and analyzed. The traditional tube-mesh-like stent model was constructed by using computational aided design tool SolidWorks, and based on this model, the body-fitted stent model was designed by means of projection algorithm. Abaqus was used to simulate the crimping-expansion-recoil process of the two stents in the stenotic vessel with incompletely calcified plaque and completely calcified plaque respectively. A comprehensive method for apposition evaluation was proposed considering three aspects such as separation distance, fraction of non-contact area and residual volume. Compared with the traditional stent, the separation distances of the body-fitted stent in the incompletely calcified plaque model and the completely calcified plaque model were decreased by 21.5% and 22.0% respectively, the fractions of non-contact areas were decreased by 11.3% and 11.1% respectively, and the residual volumes were decreased by 93.1% and 92.5% respectively. The body-fitted stent improved the apposition performance and was effective in both incompletely and completely calcified plaque models. The established apposition performance evaluation method of stent considered more geometric factors, and the results were more comprehensive and objective.

引言

目前，血管内支架因市场需求巨大且瓶颈问题突出而成为国内外研究热点。支架在植入狭窄血管后，两端翘起，如图 1 所示。支架贴壁不良（stent malapposition，SM）导致血管修复时内皮对支架支杆的覆盖不均匀，发生支架内再狭窄（in-stent restenosis，ISR）及晚期血栓（late stent thrombosis，LST），造成不良后果。无论是祼金属支架，药物洗脱支架还是可降解支架（bioabsorbable stent，BRS），都存在发生 ISR 和 LST 的可能。

图 1.

Stent upwarping after recoiling in a stenotic vessel

支架在狭窄血管内回弹后翘起

SM 是指患者一个以上的支架支杆与血管壁没有紧密贴合，出现显著分离的状况。临床上的判断标准是在血管内超声下可见支架后具有血流，并无分支出现^[1]。临床上将其分为即刻贴壁不良（acute stent malapposition，ASM）和晚期贴壁不良（late stent malappositions，LSM）^[2]。ASM 通常在支架植入的即刻发生，多发生于支架的边缘，通常与支架植入相关。复杂的血管结构、弯曲程度、支架的不完全扩张及支架回弹均是 ASM 发生的可能因素。LSM 在术后 6～9 个月出现，与血管的正性重构有关，检查时可见患者冠状动脉外弹力膜面积的增加程度大于中膜和斑块面积的增加程度。

发生 SM 时，支架和血管壁之间会形成相应的局部空间，此空间内容易导致纤维素及血小板积聚，诱发支架内形成血栓^[3]。Cook 等^[4]的研究首次证实了 SM 与 ISR、LST 之间的联系。Finn 等^[5]提出 SM 与延迟内皮化之间有一定关联，SM 可能增加支架内血栓风险。Leone 等^[6]指出 SM 与未被覆盖的支架支杆（uncovered struts，US）均是血栓形成的预测因子。Giglioli 等^[7]提出内皮细胞覆盖不完全，也是支架植入后晚期不良事件和死亡率增加的重要预测因素。Taniwaki 等^[8]研究提示 SM 是中晚期血栓形成的预测因子。探讨如何减少 SM 的发生，具有重要的临床意义。

不同的支架设计会影响到支架与血管内壁的贴合程度，从而影响到 ISR、LST 的发生几率。现有研究对支架结构设计的改进，大都致力于力学性能提升，普遍存在结构复杂、与病变血管接触不良及血流干扰较大等问题^[9-11]。在针对提高贴壁性能的结构优化研究中，郭同彤等^[12]将传统的圆筒形支架进行结构改进，使位于中间的支架单元的长度最长，由中间向两侧递减，形成梭型结构。使得支架在扩张后能保持稳定的径向支撑，又能克服支架两端的翘起现象。张永顺等^[13]通过形成斜面区域的结构，结合物理尺寸上的改变，解决了由斜面结构导致的圆周方向上支撑力不一致的技术问题，从而使斜面结构可以应用到血管中，尤其是分叉处，贴合性更佳。潘宁等^[14]通过预弯曲血管支架，再结合自身多段结构中的变径设计，更好地适应血管弯曲特性，增强和血管的贴壁性能，减少术后对血管的刺激。但现有的结构设计没有考虑到不同病变部位的血管弯曲角度、斑块的具体结构，少有个性化结构设计方法。

目前，有限元方法常被应用于血管内支架的力学分析，为支架的结构设计提供一定的指导^[15]。任庆帅^[16]模拟了传统管网状结构支架在一例真实颈动脉血管中的释放过程，指出支架回弹后，产生端部翘起，支架与组织间存在空隙的现象，即 SM，但未对该空隙进行定量讨论。在评价支架的贴壁情况时，Brown 等^[17]将 SM 量化计算为支架支杆外表面到血管管腔内壁的距离。Naganuma^[18]将 ASM 定义为支架支杆与血管内壁的分离距离 ≥ 1 mm。Im 等^[19]测量了未贴壁的支杆与血管壁的最大距离、未贴壁支架段的最大长度以及支架外周血管腔最大横截面积，并取所有横截面光学相干断层扫描（optical coherence tomography，OCT）图像中未被覆盖的支架支杆百分比评价贴壁性能。Lu 等^[20]提出了一种基于 OCT 图像的分析方法，定量评估支架组织覆盖度，目前还未广泛应用。另有研究将 SM 定义为支杆内边与血管壁的距离大于支杆厚度与 OCT 轴向分辨率之和^[21]。但现有的贴壁性能评价方法大多仅从单一维度考虑，未能综合反映支架整体结构与血管壁之间的分离程度。

另外，支架贴壁性能受到斑块组织成分的影响。临床上根据斑块钙化程度，将其分为脂质斑块、纤维化斑块和钙化斑块^[22]。支架植入手术后的不良事件与斑块钙化程度具有相关性。不同钙化程度的斑块对支架扩张的难易程度、扩张后血管和斑块上的应力以及支架的即刻回弹率等有着不同的效应，从而影响支架的贴壁性^{[18, 23-24]}。崔新阳^[25]探究了可降解支架在不同钙化程度斑块的狭窄血管中的压握、扩张及回弹后支架的力学表现，提出斑块钙化程度对于支架服役过程中的应力分布、疲劳及降解均会产生影响。因此，在针对 SM 的研究中，有必要将斑块的钙化程度纳入考虑。

综上，在血管内支架的设计中，如何保证贴壁性、如何评价贴壁性等一系列问题，成为研究焦点。现有的众多结构设计中少见有适应患者个性化病变的支架结构设计方法。现有的贴壁性能评价指标大都仅从单一维度考虑，不能综合反映支架整体结构与血管壁之间的分离程度；另外，上述评价指标没有参照病变血管直径大小以及病变形态体积等信息进行评估，因此也缺乏不同血管病变之间 SM 程度的横向可比性。

本文针对现存的血管内 SM 问题，提出一种新的适形贴壁支架结构^[26]。其结构是根据患者个性化狭窄血管和斑块的形态量身定做的，可紧密贴合在血管内壁上，降低因 SM 而造成 ISR、LST 的风险。本文利用数值模拟方法，分析适形贴壁支架在未完全钙化斑块及完全钙化斑块模型中经历压握—扩张—回弹过程的其生物力学性能；进一步地，本文提出一套支架贴壁性能评价方法，用于综合地、定量地评判支架在血管内扩张后的贴壁效果，并应用该指标对于适形贴壁支架和传统支架的贴壁性能进行评价与对比。

1. 材料和方法

1.1. 支架及血管斑块三维有限元模型的建立

本文提出的适形贴壁支架是根据患者个性化狭窄血管和斑块的形态量身定做。其设计方法为：基于患者病变部位的电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）影像进行三维重建，得到狭窄血管和斑块的几何模型，选择长度长于患者血管狭窄段的传统闭环式管网状支架作为初始结构，适度调整以使支架中心轴与血管管腔中心轴重合，在每个与上述中心轴垂直的截面上进行径向映射，获得一系列支架网丝的贴壁位置，连接成为支架轮廓线，利用选定的截面沿着轮廓线进行扫掠，获得适形贴壁支架的三维结构模型，其外表面无缝紧贴在该病变部位狭窄血管的内壁上。

不同患者的病变部位几何形态各不相同。本文选择构建理想化的血管—斑块模型，模型中的狭窄部分与正常血管连接处的过渡是突变的，代表更为极端的情况，根据此模型展开力学仿真计算和贴壁性能的探究，所用的方法并不失一般性。如果更换其他真实病变部位的模型，所涉及的适形贴壁支架模型构建、压握、扩张、回弹及贴壁性能分析方法均不变。

1.1.1. 传统支架及血管斑块模型的构建

本文构建的血管模型长度 23.6 mm，外径为 5.27 mm，内径为 4.27 mm，壁厚均匀为 0.5 mm，如图 2 所示。斑块与血管共轴，使用旋转的方法进行实体建模，最狭窄处直径为 2.4 mm。计算得到血管的狭窄率为 43.7%。构建 I 型连接筋、正弦波支撑筋结构的传统直筒型管网状支架作为对照组，使用三维计算机辅助设计软件 SolidWorks 2016 （SolidWorks Inc.，美国）进行设计和建模。传统支架的每根支架支杆的截面为正方形，截面边长为 0.12 mm。

图 2.

Idealized carotid artery-plaque model，balloon，traditional stent and crimping shell model

理想化的颈动脉血管-斑块、球囊、传统支架和压握壳模型

本文重点关注支架、血管及斑块三部分的力学性能，因此在不影响力学表现的情况下简化了球囊和压握壳的模型，如图 2 所示。将压握壳建立为一个圆筒空壳结构，设置其外径为 4.45 mm，厚度为 0.01 mm，长度为 16 mm，提供与临床情况相近的、径向向内的压缩载荷。球囊的横截面为环形褶皱型，整体呈现圆柱形结构，其长度大于所使用的支架的长度，轴向长度为 16.8 mm，外径为 0.48 mm，厚度为 0.001 mm，相比于真实的临床情况，省略了导管装置的模型。

1.1.2. 适形贴壁支架模型的构建

使用三维映射的方法构建所设计的适形贴壁支架模型。将传统支架植入狭窄血管模型内，调整使血管与支架共轴。做垂直于血管管腔中心轴的截面，如图 3 所示。在每个截面进行径向映射，设支架与血管管腔的中心轴点为点 O，以 O 为圆心建立极坐标系，设置传统支架的外表面中心点为点 A。连接点 A 与点 O，做 AO 的延长线，记延长线与血管内表面的交点为点 A’，A’即为适形支架的一个贴壁母线上一个点的位置。类似地，在每个与上述中心轴垂直的截面内以及在不同的截面内能获得支架支杆一系列的这种贴壁位置。沿着支架网丝走向将这些点连接起来就是支架丝的外壁母线。根据该母线即可确定适形贴壁支架映射到血管壁上的结构，进而设计适形贴壁支架。所获得的适形贴壁支架结构适应与其对应的个性化狭窄血管的内壁形状，支架外表面无缝紧贴在血管内壁上。

图 3.

Schematic diagram of modeling method of body-fitted stent

适形贴壁支架建模方法示意图

1.2. 材料属性和网格划分

本文选择新型可降解的锌合金为支架的材料^[25]。将支架设置为各向同性、不可压缩的弹塑性材料，杨氏模量为 98 000 MPa，泊松比为 0.3，屈服强度为 220 MPa，强度极限为 480 MPa。设置血管的杨氏模量为 1.75 MPa，泊松比为 0.499^[27]。球囊设置为聚酯材料，杨氏模量为 1 455 MPa，泊松比为 0.3^[28]。压握壳为线弹性连续材料，杨氏模量为 300 MPa，泊松比为 0.3^[29]。

本文将斑块划分为完全钙化斑块和未完全钙化斑块，分别设置不同的斑块材料属性，设计对比实验，探究斑块钙化程度对于支架的支撑性、贴壁性及斑块所受应力的影响。使用一阶奥格登（Ogden）模型描述斑块的材料属性，如式（1）所示。其中，W 是应变能密度函数；J 为弹性体积比；λ₁、λ₂、λ₃ 为主伸长率；α_i、μ_i 为描述材料的剪切行为的系数；D_i 为描述材料的压缩性的系数，具体参数如表 1 所示。泊松比为 0.49，D₂ 和D₃ 取值都为 0^[30]。

表 1. Material properties of two kinds of vascular plaque.

两种斑块材料属性

材料	μ1/MPa	α 1	D 1
完全钙化斑块	0.32	9.25	0.13
未完全钙化斑块	0.093	8.17	0.13

1

使用网格划分软件 HyperMesh 14.0（Altair Engineering Inc.，美国）对血管、斑块、球囊、压握壳模型以及两种支架模型进行网格划分。使用 C3D8R 和 C3D6R 网格，各部件的网格信息如表 2 所示。以往的力学仿真研究中与本文尺寸相近的支架模型使用的网格尺寸约为 0.2 mm，网格数目的数量级约为 10⁴ 个^[31]。在本文的后续研究，网格密度会影响到后处理中间隔距离的计算精度，因此本文为了提高计算准确度，对于两组支架模型采用了更致密的网格，尺寸为 0.01 mm，绘制的网格数目远大于已有仿真研究中经过网格敏感性分析所得到的临界值。

表 2. Mesh information of different parts.

不同部件的网格信息

部件	传统支架	适形贴壁支架	斑块	血管	球囊	压握壳
单元数	27 264	37 986	30 049	10 620	4 480	1 480
单元类型	C3D8R	C3D8R & C3D6R	C3D8R & C3D6R	C3D8R	C3D8R	C3D8R

1.3. 边界条件与载荷

利用有限元分析软件 Abaqus 6.14（SIMULIA Inc.，美国）进行有限元力学仿真。将各部件的网格模型依次导入后进行共轴装配。建立 R、Z、T 圆柱坐标系，原点为血管中心轴线上的一点，R 方向代表径向，Z 方向代表轴向，T 方向代表圆周方向。设置约束条件将斑块外表面与血管内表面绑定，保证血管和斑块之间力和位移的传递且不发生相对滑移。设置通用接触和摩擦因数，在真实的生理环境中，金属材质的支架支杆与斑块、支架支杆与血管内壁之间的摩擦因数都存在细微的不同，不同摩擦因数下各部件之间发生的微小的相对滑移不会对本研究所关注的应力、变形及贴壁这三方面产生决定性影响，因此本文参考以往的力学仿真分析，将所有接触关系间的摩擦因数简化设置为统一的 0.2^[32]。

将血管的两端设定为周向固定，在支架中部的一组支撑筋转弯处选择对称的六个点约束其周向自由度，以保证尽量与真实的临床情况相符，限制血管和支架的周向转动。

支架在血管—斑块模型中作用的全过程分为① 压握、② 扩张、③ 保持、④ 回弹这 4 个阶段。显式计算的增量步的大小完全由求解器自动控制，即自动增量步长法。使用有限元分析软件 Abaqus 6.14（SIMULIA Inc.，美国）的显式分析模块时，增量步必须小于某个极限值，以保证加速度在每个增量步中接近常数，这样才能对速度和位移进行精确积分。分析允许的最大增量步长为稳定极限值，这个值与材料密度、材料特性及单元网格相关。本文根据选取的材料特性及划分网格的尺寸设定了每一步的加载时间。在第① 阶段，借助压握壳对支架整体进行压握，对压握壳外表面施加了 1.03 mm 的径向向内的位移，使适形贴壁支架的两端最膨大部位被压握至小于管腔最狭窄部分，持续时间均为 20 ms。在第② 阶段，提取经过压握变形后的支架模型与血管斑块系统进行装配，并将压握后支架上各节点上的所有方向的应力以预应力场的形式加载到变形后的支架上；对球囊内表面施加 2.1 mm 的均匀的径向向外的位移载荷，持续时间为 20 ms。用球囊撑开支架，使支架发生扩张，挤压斑块和血管，扩开狭窄部位，参照临床，扩张到正常血管的 1.1 倍。在第③ 阶段，保持此时的扩张状态，持续时间为 5 ms，使系统稳定。第④ 阶段，对球囊施加径向向内的位移，载荷大小为 2 mm，持续时间为 10 ms，模拟球囊卸载。这一过程中，球囊随着卸载过程不再对支架提供径向支撑，支架在血管和斑块向内的作用力下有一定程度的回弹。

2. 贴壁判定方法

如图 4 所示为支架在狭窄血管内回弹后的贴壁情况。在斑块边缘处，支架支杆与血管内壁贴合不完全。从纵向截面来看，此局部空间结构近似三角形（局部视图中的虚线部分），其形状不规则，依靠单一的距离、未接触面积等指标，可能产生偏差。例如，如果该局部区域呈现狭长的形状，此时仅通过分离距离判断，其贴壁情况良好，但实际上狭长的区域存在大面积不贴壁的部位。本文使用支架支杆到血管管腔内壁的距离（简称间隔距离）、支架与内壁未接触部分的面积占支架总外表面积的占比（简称未接触面积分数）及支架外表面与管腔内表面包络的体积（简称残留体积），即从距离、面积及体积三个维度综合评价支架的贴壁性能。

图 4.

The stent malapposition after recoiling

支架回弹后的 SM 情况

2.1. 间隔距离

间隔距离的获取通过计算机编程语言 Python 执行。如图 4 所示，支架支杆与血管内壁未接触的部分形成了一个局部空间。在此空间中，通过计算结果文件可以提取得到各点的节点编号及三维坐标。以支架上某节点 A 为例，其到达血管斑块内壁上各点，在三维空间上存在无数个间隔距离（通过欧式距离计算），设为间隔距离集合 {a}。在间隔距离集合 {a} 中提取出其中最小元素 a_min，a_min 即为点 A 到达血管内壁的距离，将 a_min 的数值赋给 a₁，存入新的集合 {D}，作为总体距离集合中的第一个元素。重复上述步骤，将支架上所有节点依次作为母点，找到其到达血管斑块内壁上各点的全部距离，将这些距离中的最小值作为它到血管内壁的距离，放入总的距离集合，获得该支架的距离集合 {D}，其元素数目与支架的节点数相同。使用这种算法时，提取到的坐标仅为有节点位置的坐标，而不是所有位置的坐标，因此划分节点和网格的密度会影响距离获取的准确性，故本文划分了致密的网格以提高准确性。

2.2. 未接触面积分数

为了描述支架支杆与血管内壁的未接触部分与总表面积的关系，引入未接触面积分数 M，定义 M 为未接触部分的支架外表面积占支架外表面总表面积的百分数，如式（2）所示。m_未 为未接触部分的支架外表面积，m_总 为支架外表面总表面积。

2

M 是［0,1］之间的百分数，M 值越大，描述支架支杆与血管管腔的 SM 越严重。具体为，对变形后的网格模型进行重建，生成实体模型，将其导入三维计算机辅助设计软件 SolidWorks 中测量支架外表面的表面积，然后测量支架支杆与血管管腔内壁的未接触部分的支架外表面区域的表面积。

2.3. 残留体积

支架和血管斑块变形后的模型如图 5 所示，填补支架的网孔使其外表面包络形成一个封闭的空间，然后将血管管腔的空间也填补为实体，获得流腔模型。将流腔模型与支架的包络空间模型装配后做布尔运算，得到未贴壁的局部空间的体积，即为残留体积。

图 5.

Schematic diagram of the method to obtain the residual volume

获得残留体积的方法示意图

3. 结果分析

3.1. 支架的应力分布

在压握阶段，支架受到径向向内的作用力，高应力区域分布在支撑筋转弯处，除了转弯处外，其余部位受力较为均匀，如图 6 所示。两种支架的应力分布情况相近，从数值来看，适形贴壁支架的平均应力大于传统支架，两支架在压握过程的应力未超过材料的强度极限（480 MPa），不会发生断裂。

图 6.

Stress contour after crimping

支架压握后的应力云图

传统支架和适形贴壁支架在未完全钙化斑块模型及完全钙化斑块模型中的应力云图如图 7 所示。在未完全钙化斑块模型中，支架扩张到最大位移时，支架受到径向向外的位移载荷，每个单元的高应力区域集中在支架的支撑筋转弯处。传统支架、适形贴壁支架的应力峰值分别为 263.5 MPa 和 345.1 MPa，均高于支架材料的屈服强度（220 MPa），支架发生了塑性形变，但低于强度极限（480 MPa），不会发生断裂。支架回弹阶段，高应力区位于血管最狭窄处附近，对于每个支架单元，高应力区域集中在支架的支撑筋转弯处。传统支架、适形贴壁支架的应力峰值分别为 319.5 MPa 和 438.1 MPa。两支架上各单元的应力均值分别为 113.7 MPa 和 91.4 MPa，适形贴壁支架的应力均值小于传统支架。

图 7.

Stress contour after expansion and recoiling in the incompletely calcified plaque and completely calcified plaque models

在未完全钙化斑块及完全钙化斑块模型中的支架扩张及回弹后的应力云图

在完全钙化斑块模型中，支架扩张到最大位移时，每个支架单元的高应力区域同样集中在支架的支撑筋转弯处。传统支架、适形贴壁支架的应力峰值分别为 291.8 MPa 和 447.0 MPa。在支架回弹阶段，与未完全钙化模型情况相近，支架发生了塑性形变，传统支架、适形贴壁支架的应力峰值分别为 314.7 MPa 和 456.4 MPa，应力均值分别为 119.8 MPa 和 101.5 MPa，适形贴壁支架的应力峰值高于传统支架，但均值小于传统支架。

在传统支架和适形贴壁支架作用下，未完全钙化斑块和完全钙化斑块的应力分布如图 8 所示。斑块的钙化程度不仅对支架扩张、回弹的应力分布产生影响，同时也会影响斑块自身的应力分布。完全钙化斑块上的应力大于未完全钙化斑块上的应力。斑块的应力峰值在传统支架的作用下大于在适形贴壁支架作用下，同时，斑块的应力均值在传统支架的作用下也大于在适形贴壁支架作用下的数值。

图 8.

Stress contour of plaque after recoiling under the action of traditional stent and body-fitted stent

斑块在传统支架及适形贴壁支架作用下回弹后的应力云图

3.2. 支架的支撑性能

支架完成扩张后，在血管和斑块的弹性回缩力的挤压下发生一定程度的回弹，表现为术后的残余狭窄，引入残余狭窄率（α）公式来反应支架的支撑性能^[32]，如式（3）所示：

3

式中，D_max 为支架植入后达最终状态后血管的最大直径；D_min 为支架植入后达最终状态后血管最狭窄处的直径。

本文构建的血管斑块模型初始直径为 4.27 mm，最窄部位直径 2.40 mm，根据直径计算出其初始狭窄率为 43.7%。使用传统支架扩张的完全钙化斑块和未完全钙化斑块模型中的残余狭窄率分别为 36.2% 和 33.5%。采用适形贴壁支架扩张后，完全钙化斑块和未完全钙化斑块模型的残余狭窄率分别为 36.7% 和 32.1%。这表明 2 种支架均能对病变部位起到一定的治疗效果，所设计的适形贴壁支架可以保证与同尺寸的传统支架结构相近的支撑性能。另外根据结果可知，两种支架对未完全钙化斑块的治疗效果优于对完全钙化斑块的治疗效果。

3.3. 支架的贴壁性能

3.3.1. 间隔距离

分析上述距离集合中的数据，可得到其间隔距离的极值和平均值，如表 3 所示。

表 3. The maximum and average values of separation distance.

间隔距离极值和平均值

斑块类型	极值/mm			平均值/mm
	传统	适形贴壁		传统	适形贴壁
未完全钙化斑块	0.413 3	0.288 3		0.173 6	0.136 2
完全钙化斑块	0.444 5	0.292 1		0.183 5	0.143 2

从间隔距离极值来看，在未完全钙化斑块和完全钙化斑块模型中，适形贴壁支架相较于传统支架缩小了 30.2% 和 34.3%。从间隔距离平均值来看，适形贴壁支架相较于传统支架缩小了 21.5% 和 22.0%。无论是从距离的极值还是从距离的平均值来看，适形贴壁支架均缩小了支架支杆与管腔内壁的分离程度，提升了贴壁性能。

另外，在不同钙化程度斑块的狭窄血管中，无论是从距离的极值还是从距离的平均值来看，支架在未完全钙化斑块中的贴壁性能表现均优于在完全钙化斑块中的表现，可知斑块钙化程度对支架贴壁性能存在影响。

3.3.2. 未接触面积分数

经过测量得到传统支架和适形贴壁支架的外表面积分别为 20.03 mm² 和 24.48 mm²。在未完全钙化斑块模型中，传统支架和适形贴壁支架的未接触面积分数 M 值分别为 14.9% 和 3.6%，适形贴壁支架的 M 值降低了 11.3%；在完全钙化斑块模型中，传统支架和适形贴壁支架的 M 值分别为 15.2% 和 4.1%，适形贴壁支架的 M 值降低了 11.1%。无论在完全钙化斑块模型还是未完全钙化斑块模型中，适形贴壁支架相比于传统支架均提高了扩张后接触部分面积的占比，改善了贴壁性能。两种支架在未完全钙化斑块模型中的未接触面积分数均低于在完全钙化斑块模型中的未接触面积分数。

3.3.3. 残留体积

在未完全钙化斑块中，传统支架和适形贴壁支架的残留体积分别为 7.14 mm³ 和 0.49 mm³；在完全钙化斑块中，传统支架和适形贴壁支架的残留体积分别为 7.56 mm³ 和 0.57 mm³。在治疗不同类型的斑块时，两种支架应用在未完全钙化斑块中的贴壁性均优于在完全钙化斑块中。在未完全钙化斑块和完全钙化斑块的模型中，适形贴壁支架相比于传统支架的残留体积分别减小了 93.1% 和 92.5%，可知其对于贴壁性能有较大的提高，且在两种钙化程度不同的斑块中均适用。

3.3.4. 小结

本文提出了综合考虑间隔距离、未接触面积分数及残留体积这三方面支架贴壁性能评价方法，并给出了基于有限元仿真软件的计算结果和三维建模软件展开后处理的具体操作方法。

其中，间隔距离极值反应了支架支杆与管腔内壁分离的最远距离，代表支架表面翘起最严重的点与管腔内壁的分离程度；间隔距离平均值概括了支架上所有节点与管腔内壁的分离程度。未接触面积分数描述了支架支杆与管腔内壁分离部分的面积与总表面积的关系，相较于传统支架，适形贴壁支架的未接触面积分数更低，改善了贴壁性能。同时，两种支架在未完全钙化斑块模型中的未接触面积分数均低于在完全钙化斑块中。从残留体积方面考虑，相较于传统支架，适形贴壁支架的残留体积在完全钙化斑块模型及未完全钙化斑块模型中有了非常显著的减小。

据此评判所设计的适形贴壁支架能够明显地改善支架贴壁性能，其效果在未完全钙化斑块及完全钙化斑块模型中均可体现。综合基于距离、面积及体积这三个维度的指标来分析，在应用于不同钙化程度的斑块时，适形贴壁支架相较于传统支架，在未完全钙化的狭窄血管中贴壁表现更好，对贴壁性能的提升程度也更为显著。

适形贴壁支架和传统支架在间隔距离和未接触面积分数这两个方面差异在 20% 和 10% 上下，差异不大，但是在残留体积这一方面差异显著，达 90% 左右。因此若仅从距离或面积占比来评价血管内支架的贴壁表现是不够全面的，需要将距离、面积、体积综合考虑，以便展开不同病变之间贴壁效果的横向对比。

在不同钙化程度斑块的狭窄血管中，支架在未完全钙化斑块中的贴壁性能表现均优于在完全钙化斑块中的表现，可知斑块钙化程度对支架贴壁性能存在影响，提示无论应用何种结构的支架，钙化严重的斑块都更可能引发 SM，在治疗钙化病变时，SM 问题应更加引起重视。

4. 讨论

本文提出的适形贴壁支架，无论是在未完全钙化斑块还是完全钙化斑块模型中，均能对病变部位起到一定的治疗效果，可以保证与同尺寸的传统支架结构相近的支撑性能。另外，两种支架对未完全钙化斑块的治疗效果优于对完全钙化斑块的治疗效果，提示在应用可降解锌合金材质的支架治疗完全钙化斑块时，应考虑通过合金、支架支杆加粗等方法提高支撑性^[33-34]。

本文设计的适形贴壁支架在血管中服役时，支架上的应力高于所选材料的屈服强度，能够发生塑性形变，对血管起到支撑作用，高应力区域位于血管最狭窄处附近，对于每个支架单元，高应力区域位于集中在支架的支撑筋转弯处，从应力的分布和具体数值来看，与已有的相近支架的力学仿真研究的结论相符合^{[25, 31-32]}。适形贴壁支架的应力峰值均明显高于传统结构支架，但其具有更低的应力均值。在支架的应用中，高应力的区域可能引发机械性能产生改变，甚至引发支架失效，是需要重点关注的部位。特别是对于可降解支架，应力集中还可能造成应力腐蚀过大，引起支架不均匀降解。针对本文所设计的适形贴壁支架结构，其应力峰值大于传统结构，但没有超过材料的强度极限，仍在可使用范围，应力均值低于传统支架，达到了本文预期。

同时，上述应力分布的结果提示，在适形贴壁支架的材料选择、制备工艺中，应该考虑进一步降低重点部位的应力峰值。关于支架上的应力集中问题，王小平等^[35]对于 2 种支架在球囊扩张作用下的形变时，也提出了支架应避免发生应力集中。

在血管和支架回弹稳定后，传统支架最终呈现中间细、两头粗的“狗骨效应”，支架与血管内壁出现空隙，没有紧密贴合，形成局部空间，导致血管修复时内皮对支架支杆的覆盖不均匀，出现 ISR 和 LST。本文设计的适形贴壁支架结构，在斑块与血管过渡的交界部位有拐角，整体呈现似哑铃形，紧密贴合在血管管腔内壁上。在扩张到最大直径后，传统支架仍然保留了完全的圆柱形结构，而适形贴壁支架在中部靠近斑块边缘处仍保留着初始结构设计的小拐角，两个支架的形态并不完全相同。这是因为斑块材质比支架材质软，施加载荷的适形支架在挤压斑块时保留了小拐角的形态，而没有被球囊完全撑开变形为圆柱形。支架植入完成后，哑铃形的两端和中部交界的拐角仍存在，虽经历了一定程度的形变，但仍能较好地贴在斑块和血管的交界处，呈现优于传统支架的贴壁性。

在支架贴壁性能的评价方面，Im 等^[19]测量了未贴壁的支架支杆与血管壁的最大距离、未贴壁的支架段的最大长度以及支架腔外最大横截面积，并借助 OCT 图像评价贴壁性能。另一方面，关于区分被覆盖和未被覆盖的支杆的研究成果较少，Lu 等^[20]提出了一种基于 OCT 图像的分析方法，可用来定量评估支架组织覆盖度，目前还未广泛应用。本文选取了支架支杆到血管管腔内壁的间隔距离、未接触面积分数及残留体积这三个临床上实际关注的指标来综合描述支架贴壁性能，既能描述支架支杆与血管内壁分离的绝对距离，又能按面积占比描述贴壁的程度，同时考虑到支杆翘起形成的局部空间大小。

本文采用了理想化的血管—斑块模型进行模拟，存在一定局限性。由于对血管模型的简化，使用的是直筒型周向对称模型，因此未能将血管弯曲角度、斑块的不对称性等因素对贴壁性能的影响纳入考虑。在下一步的研究中，还应考虑周向不对称的斑块结构、带有弯曲角度的血管所造成的扩张时支架和斑块的受力不均匀、支架的不完全扩张等原因引起的 SM 问题，探究在这些复杂血管环境下，适形贴壁支架是否仍能具有优于传统支架的贴壁性。对于贴壁性能评判，在进一步研究中，应结合间隔距离、未接触面积分数及残留体积这三个参数所占的权重，将其综合为一个评价指数，以便于更为简便地评价支架贴壁性能。

本文所设计的适形贴壁支架结构是针对每位患者的病变部位量身设计和定做，涉及到病变血管影像的数据采集、模型构建及三维打印等问题。针对不同的患者，需要再次进行构型设计和建模。本文作为解决现有支架普遍存在的 SM 问题的一个初尝试，仅基于如何提升贴壁性能提出一种设计理念，而没有对普适性与针对性之间的矛盾做出取舍。在进一步的研究中，可根据患者病变部位血管的狭窄率、斑块硬度、斑块宽径比等具体的几何参数、材料参数，对病变部位进行大类划分；做出几大类不同型号的适形贴壁支架，在临床应用中，通过影像学检测确定参数，有针对性地挑选与之匹配的适形贴壁支架型号，而不再是支架与患者一一对应的个性化适形，这样的大类划分更有利于降低成本、批量生产，同时兼顾了病变部位的具体情况，更具有临床应用价值。

5. 结论

根据本文提出的适形贴壁支架设计方法所得到的适形贴壁支架，可以保证与传统支架相近的支撑性，达到了治疗效果。依据本文提出的间隔距离、未接触面积分数及残留体积这三方面支架贴壁性能评判指标来看，适形贴壁支架相较于传统支架，对贴壁性能有了显著提升。无论对于未完全钙化斑块还是完全钙化斑块，适形贴壁支架均适用，均可以提升贴壁性能。

本文提出的贴壁性能评价方法分别从距离、面积及体积三个维度展开分析，避免了单一的距离或面积指标的片面性及不准确性，为客观评价血管内支架的贴壁性能提供了一种思路。

利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。

Funding Statement

国家自然科学基金项目（12172018）；北京市教委-市自然科学基金联合项目（KZ202110005004）

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