两种工况下8 种腔静脉滤器疲劳强度的对比研究

2020-09-17王越彤冯海全王晓天王永刚

工程力学 2020年9期

王越彤，冯海全，王晓天，王永刚

(1. 内蒙古工业大学机械工程学院，内蒙古，呼和浩特 010051；2. 中国科学技术大学附属第一医院，安徽，合肥 230000；3. 苏州天鸿盛捷医疗器械有限公司，江苏，苏州 215000)

肺动脉栓塞(pulmonary embolism, PE)已成为仅次于冠状动脉疾病与脑血管疾病后的第三大心血管疾病[1−3]。研究表明，大部分的血栓产生于下肢深静脉血栓(Deep Venous Thrombosis, DVT)。下腔静脉滤器(Inferior Vena Cava Fliter, IVCF)是一种为预防下肢及盆腔静脉系统血栓脱落上行导致PE 的过滤性装置[4]。它的使用可以降低静脉血栓(Venous Thrombosis, VTE)患者新发肺梗死及肺梗死复发的几率，且手术易于简单操作。

目前对腔静脉滤器的广泛研究包括滤器的生物力学性能和血流动力学性能。在滤器的支撑刚度方面，仇洪然等[5]对不同支撑杆数目的腔静脉滤器进行数值模拟，发现随着支撑杆个数的增加，滤器在血管内工作状态下受到的应力有增大的趋势，血管壁受到的应力有减小的趋势，支撑刚度随杆数的增加有增大的趋势；在支撑单元连接体方面，冯海全等[6−7]对永久型腔静脉滤器和可转化型腔静脉滤器的生物力学性能进行分析发现，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。以上研究都是对滤器在生物力学性能方面的研究，但在实际临床应用中，患者经过一段时间的应用，滤器在下腔静脉血流流动及患者身体运动的影响，滤器在持续的外力作用下，容易产生应力集中的区域。Kou 等[8]报道了一例置入Denali滤器的患者，在6 个月内取出滤器时，发现滤器的部分组件断裂，其中一个组件碎片由静脉血流流至右心室位置，引发了危及生命的心脏栓塞；Dowell 等[9]报道了一例置入Günther Tulip 滤器的患者，在放置滤器10 年后，一根支撑杆发生了断裂，导致患者引发了肺栓塞；根据程章等[10]的研究，滤器长期滞留于体内是导致部分断裂的关键原因；其中滤器倾斜贴壁，各个分支受力不均，血流动力学不断的冲击，成为滤器断裂的最可能原因之一。因此有必要对滤器的疲劳强度展开研究。

本研究仿照已上市的7 种镍钛合金腔静脉滤器和自主设计的1 种新型滤器共8 种滤器，应用有限元分析软件ABAQUS，数值模拟分析滤器在血管内的周向载荷疲劳强度和径向压缩疲劳强度，研究腔静脉滤器在人体内的疲劳失效，为滤器结构优化以及评价提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 腔静脉滤器

本研究中的8 种镍钛合金滤器模型，分别为：1)法国ALN 公司的ALN 滤器；2)美国Boston Scientific 的Greenfield 滤器；3)美国Cook Medical的Günther Tulip 滤器；4)德国B.Braun 的VenaTech LGM 滤器；5)美国Cordis 的TrapEase 滤器；6)深圳先健科技的Aegisy 滤器；7)美国Bard 的Denali滤器；8)自主设计的新型滤器。本文中自主设计的新型滤器为发明专利[11]“一种新型可回收型腔静脉滤器”中所设计的新型腔静脉滤器。根据陈思远等[12]的研究，新型滤器相比其他7 种滤器，所具有的特点：在结构上，相邻的第一、第二支撑柱之间设置有过滤柱，过滤柱的上端与回收柱相连，下端设有过滤丝，是一款具有双层结构的滤器；在功能上，具有双重定位、双层过滤血栓的作用，保证滤器在血管中的稳定性及更好的过滤血栓的性能，并且可以降低植入后血管内血栓形成的风险。利用三维建模软件SolidWorks 构建滤器模型，具体结构如图1 所示，8 种滤器模型的最大外径均为28 mm，滤器金属丝横截面积为0.3 mm×0.3 mm 的方形，金属丝的厚度均为0.3 mm，由于各个滤器的结构不同，部分滤器的金属丝宽度不一样；模拟血管内径为25 mm，壁厚为1.5 mm；压握壳初始直径为32 mm，模拟血管和压握壳的长度均为80 mm。

图1 8 种腔静脉滤器模型Fig. 1 8 models of vena cava filters

1.2 材料模型

根据陈思远[13]、冯海全等[14]和王惟颢等[15]的研究中，设置8 种腔静脉滤器材料均为镍钛合金，密度为6.45 g/cm3，泊松比0.33；模拟血管和压握壳为超弹性材料，其中压握壳的弹性模量为300 MPa，泊松比为0.499；模拟血管的弹性模量为1.75 MPa，泊松比为0.45。在SolidWorks 中构建好的8 种腔静脉滤器模型导入Hypermesh 11.0中，滤器模型采用四节点线性四面体缩减积分单元C3D4R，网格尺寸0.2 mm；模拟血管模型采用八节点线性六面体缩减积分单元C3D8R，网格尺寸0.5 mm，厚度方向设置4 层单元；压握壳采用四节点曲面薄壳或厚壳缩减积分单元S4R[5]，并采用增强型沙漏抑制算法控制沙漏的传播来保证合理的计算精度[16]。

1.3 加载方式

周向疲劳强度分析时，首先对压握壳施加径向位移载荷，压握壳将28 mm 的滤器压握到5 mm，然后释放到25 mm 的腔静脉血管内，通过对滤器和血管施加持续循环压力来模拟人体下腔静脉内的脉动循环载荷。根据正常人体内的血压情况[17]，人体腔静脉血压值范围为5 mmHg～10 mmHg，利用数值模拟分析滤器承受循环载荷的两个极值为：5 mmHg 和10 mmHg，分别对应压力值0.0006 MPa和0.0013 MPa，周向加载过程原理示意图如图2所示。

图2 周向加载过程示意图 /mm Fig. 2 Schematic diagram of the circumferential loading process

滤器置入到人体下腔静脉后，考虑到患者身体在置入术后的日常身体活动，例如弯腰、坐立和伸展等动作，设置一种极端情况，模拟滤器承受径向压缩载荷下的疲劳强度。根据发明专利[18]“一种腔静脉滤器的制备方法”中提出的疲劳实验方法，使滤器置入顺应性血管内，平向压缩5 mm。本文中的血管最大外径在平向压缩20 mm～25 mm变化时，分析滤器径向压缩载荷下的疲劳强度。径向压缩加载过程原理示意如图3 所示。

图3 径向压缩载荷过程示意图 /mm Fig. 3 Schematic diagram of radial compression loading process.

1.4 评价方法

美国FDA 对血管支架的疲劳寿命有明确的要求，支架应至少承受4 亿次(相当10 年)的血管脉动载荷下保持结构完整，并不发生断裂，以确保支架的安全性[19]。根据易沛林[20]的研究提出，血管支架的疲劳行为可以分为两种：一种是应力控制疲劳；另一种是应变控制疲劳。其中镍钛合金材料的血管支架在脉动压力下的疲劳行为属于应变控制型。Gong 和Pelton 等[21−24]的研究根据423 个试验样品绘制了镍钛合金材料的疲劳极限曲线，并且指出在高周循环载荷下的疲劳极限为0.4%。参考以上针对镍钛合金的疲劳分析方法，本研究中镍钛合金材质的腔静脉滤器采用Pelton等[21−24]绘制的疲劳极限图判断滤器的疲劳寿命。

根据式(1)和式(2)计算滤器全部节点的平均应变和交变应变，绘制疲劳极限图。经计算后，以散点图绘制滤器全部节点的平均应变和交变应变，当滤器所有节点的交变应变值均在0.4%的疲劳极限以下，则理论上可以证明滤器在该工作条件下不会发生疲劳失效。根据式(3)计算疲劳强度的安全系数(Fatigue Safety Factor, FSF)[25]，其计算方法如下：

式中：δε为滤器的疲劳极限，即滤器发生疲劳失效的临界交变应变；δalt为滤器节点在脉动载荷下的交变应变；δmean为滤器在脉动载荷下的平均应变；δmax和δmin为脉动循环载荷过程中的最大和最小弹性应变。

1.5 动物实验方法

本实验研究采用3 头小香猪，性别不限，体重25 kg～30 kg。滤器是由深圳先健科技有限公司提供的Aegisy 滤器，此款滤器相对其他非国产的腔静脉滤器更易在市场上获得，所以选择此款滤器作为动物实验研究所用滤器。使用氯胺酮20 mg/kg，安定2 mg/kg 肌肉注射麻醉。经耳缘静脉建立通路，选择一侧股静脉后，以推送杆将滤器推进至输送鞘的顶端，明确位置后，在透视监视下，右手固定推送杆，左手后退输送鞘，直至滤器全部释放。分别在14 d、21 d 和28 d 后采用经股静脉途径，穿刺成功后插入10 F 回收鞘，以Snare 鹅颈圈套器钩住滤器下端的缺口后，固定圈套器，上推回收鞘，将滤器收入回收鞘内。使用硬组织切片机(EXAKT，德国)将标本行石蜡包埋并制作100 µm 厚片，再经过洗片、磨片及抛光，最后制作成50 µm 左右的薄片，随后切片进行苏木素－伊红染色(H-E 染色)及α-SMA 免疫组化染色，利用光学显微镜观察腔静脉行狭窄术后28 d 血管壁的组织结构变化、血管内膜增生等组织病理学变化情况及α-SMA 在标本组织中的表达情况。使用Image-Pro plus(Media Cybernetics, Inc.，美国)图像处理软件测量腔静脉管壁内膜厚度。

2 结果与讨论

2.1 周向载荷下的疲劳强度

8 种滤器在周向载荷下的疲劳极限图，如图4所示。结果显示，8 种滤器在承受周向载荷时，滤器所有节点的交变应变值均位于疲劳极限曲线的下方，说明8 种滤器结构是安全的，满足疲劳强度和10 年疲劳寿命的要求。图中红点为滤器的最大交变应变所对应的最危险节点，8 种滤器中最危险节点的位置，大多处在支撑杆端部的连接处，或支撑杆与血管内表面接触处。滤器支撑杆不仅起到支撑定位滤器的作用，也受到周向载荷的作用，所以最危险节点较容易出现在此处。滤器的最大弹性应变值最小。表1 为根据式(1)～式(3)计算的8 种滤器的周向疲劳强度的安全系数。结果显示，滤器的安全系数均大于1，表明8 种滤器结构是安全的，其中ALN 滤器的安全系数最高，新型滤器的安全系数最低，8 种滤器的周向疲劳强度的安全系数大小依次为，ALN 滤器>

图5 为8 种腔静脉滤器在释放到25 mm 直径的血管中计算周向疲劳强度时弹性应变分布云图，其中Aegisy 滤器的最大弹性应变值最大，ALN

图4 8 种滤器的周向疲劳极限图Fig. 4 Circumferential fatigue limit curves of 8 filters

图5 8 种滤器周向疲劳强度分析弹性应变分布云图Fig. 5 Elastic strain distribution cloud diagrams of 8 filters for circumferential fatigue strength analysis

表1 8 种滤器的周向疲劳安全系数Table 1 Circumferential fatigue safety factors of 8 filters

2.2 径向载荷下的疲劳强度

图6 为8 种滤器在承受径向载荷下的疲劳极限图。结果显示，除新型滤器和TrapEase 滤器的

图6 8 种滤器的径向疲劳强度极限图Fig. 6 Radial fatigue strength limit curves of 8 filters

Günther Tulip 滤器>GreenField 滤器>VenaTech LGM滤器>Denali 滤器>TrapEase 滤器>Aegisy 滤器>新型滤器。该8 种滤器的结构由简单至复杂，说明滤器的周向疲劳强度与滤器结构有一定得关系。的血管中时的弹性应变分布云图，其中Aegisy 滤器的最大弹性应变值最大，GreenField 滤器的最大弹性应变值最小。表2 为根据式(1)～式(3)计算的8 种滤器的径向疲劳强度的安全系数。从表中可知，GreenField 滤器的安全系数最大，TrapEase滤器的安全系数最小，并且除新型滤器和TrapEase部分交变应变值处于疲劳极限曲线的上方，其余6 种滤器的交变应变值均处于疲劳极限曲线的下方，说明新型滤器和TrapEase 滤器不满足10 年疲劳寿命的要求。图中红点为滤器的最大交变应变所对应的最危险节点。其中Agisy 滤器、新型滤器和TrapEase 滤器的最危险节点均处于滤器支撑杆端部连接处，其余5 种滤器的最危险节点均处在靠近回收钩一侧的支撑杆端部。这是由于滤器的支撑杆受到径向载荷后发生了弯曲变形，说明滤器承受平行载荷时最危险节点易发生在该处。

图7 为8 种腔静脉滤器在释放到25 mm 直径滤器的安全系数值均小于1，其余6 种滤器的安全系数均大于1。滤器径向疲劳强度的安全系数大小依次为，GreenField 滤器>ALN 滤器>Günther Tulip滤器>Denali 滤器>Aegisy 滤器>VenaTech LGM 滤器>新型滤器>TrapEase 滤器。在这8 种滤器中，支撑杆的端部形状各异，说明滤器径向疲劳强度与滤器支撑杆端部连接结构有关。

图7 8 种滤器径向压缩疲劳强度分析弹性应变分布云图Fig. 7 Elastic strain distribution cloud diagrams of 8 filters in radial compression fatigue strength analysis

表2 8 种滤器的径向疲劳强度安全系数Table 2 Radial fatigue strength safety factors of 8 filters

在径向压缩疲劳强度分析中，滤器和血管受到径向压缩加载的作用下，部分滤器没有达到10 年疲劳寿命要求，这是由于：1)滤器处于一种较极端的载荷下工作的；2)可回收滤器在患者体内的置入时间一般为1 月～3 月左右[26]，甚至更短约2 周左右。所以新型滤器与TrapEase 滤器尽管未满足10 年的疲劳寿命要求，但仍可以作为临时滤器使用。

2.3 动物实验

置入14 d、21 d 后滤器纵行丝已被一层极薄而透明的内膜覆盖，其下纵行丝清晰可见。此时滤器虽然可以取出，但已较为固定，不可移动。用圈套器取出后下腔静脉壁可见条状内膜撕脱，如图8 所示，取出的滤器结构完整无断裂或裂纹，说明滤器满足置入期的疲劳寿命的要求。置入28 d 以后滤器纵行丝表面的内膜随时间延长而不断增厚，甚至可以超过外膜厚度的数倍以上。内膜增生以滤器的上半部较下半部更为明显，有1 例虽然可以圈套器套住滤器下端的缺口，并能够顺利上推回收鞘，但是至滤器纵行丝的上端时，内膜生长紧密，无法继续回收。

图8 置入21 d 后取出的滤器Fig. 8 Filter taken after 21 days

滤器置入28 d 后内膜增生情况如图9 所示，滤器支撑架附近内膜增生情况，该病理切片的厚度为50 µm，左图为滤器支撑架间内膜轻度增生，右图内膜明显增厚。解剖标本观察到滤器纵行丝表面覆盖的内膜随着时间延长，颜色由半透明乳白色逐渐转变为与附近正常内膜完全相同，其下的金属丝可见度越来越低，直至与周围粘膜完全融为一体，下腔静脉始终保持通畅，剪开下腔静脉后没有发现血栓形成或阻塞。