[发明专利]考虑尺度效应的聚合物血管支架结构优化设计方法

说明书

本发明考虑尺度效应的聚合物血管支架结构优化设计方法属于介入性医疗器械领域，涉及了一种考虑尺度效应的聚合物血管支架结构优化设计方法。该方法在考虑尺度效应对支架力学行为影响的基础上，通过定义优化问题，采用优化拉丁超立方法获取初始样本点，结合有限元法，利用Kriging代理模型建立目标函数与设计变量间的近似函数关系。基于近似函数和改善期望加点准则，联合遗传算法与序列二次规划算法进行并行运算得到支架结构的改进设计。当目标函数最优解满足收敛条件时，输出支架最终的优化设计结果。本发明弥补了现有技术忽略尺度效应的不足，并将新型本构关系引入到有限元计算中，采用优化算法提高了计算精度和计算效率，适用性强。

技术领域

本发明属于介入性医疗器械技术领域，具体涉及一种考虑尺度效应的聚合物血管支架结构优化设计方法。

背景技术

目前，心脑血管疾病是致人死亡的头号杀手，血管狭窄引起的血流阻塞是触发疾病的主要原因。聚合物血管支架作为一种植入人体的介入性医疗器械，能够有效的避免血管狭窄、降低发病率，为确保其在长期服役过程中的安全性和可靠性，结构设计需要同时满足径向支撑刚度、径向弹性回复，轴向缩短及表面覆盖率等多个性能指标。同时，随着聚合物微细制造技术的不断发展，越来越多的研究表明，聚合物材料在微尺度下存在尺度效应。不同于传统的连续介质力学，当材料在微尺度下发生非均匀变形时，其表观弹性模量或硬度会大幅增加。聚合物血管支架服役过程中因材料降解内部形成微孔结构，该结构发生弯曲和扭转变形时便存在这一效应。在考虑尺度效应的前提下，如何建立有效方法，实现聚合物血管支架结构的多目标优化设计，成为当前亟待解决的问题。

陈端端等人的发明专利申请号为201711292177.3，公开了“一种虚拟支架在血管内扩张的模拟方法、装置及电子设备”，该发明实现了对支架在血管内扩张情况的实时监测，但该发明只显示了支架的三维扩张过程，没有考虑尺度效应对支架力学性能的影响，也没有制定相应的结构优化设计方法。樊瑜波等人的发明专利申请号为201910181781.1，公开了“一种具有径向支撑力变化的人工介入型主动脉瓣膜支架”，该发明通过调整支架区域内的网格结构、支架筋结构和支架材料，改善支架的径向支撑力，但该发明制定的改善方案缺乏必要的力学分析，改善效果有待验证。

李红霞等人的发明专利申请号为201910178807.7公开了“一种药物洗脱支架药物缓释模拟及优化方法”，该方法通过有限元仿真及代理模型优化方法进行药物洗脱支架的参数优化，能够缩短药物洗脱支架的研发周期，但该方法没有考虑尺度效应和支架结构对支架力学性能的影响，在支架结构优化设计方面缺乏适用性。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，没有考虑尺度效应对可降解血管支架力学性能的影响，针对血管支架的结构设计多以经验调整为主，面对复杂的植入环境现有技术设计出的血管支架缺乏普遍适用性，发明了一种考虑尺度效应的聚合物血管支架结构优化设计方法。考虑尺度效应和支架结构对支架力学性能的影响，用优化算法提高了计算精度和计算效率，适用性强。

本发明采用的技术方案是一种考虑尺度效应的聚合物血管支架结构优化设计方法，该方法在考虑尺度效应对支架力学行为影响的基础上，通过定义优化问题，采用优化拉丁超立方法获取初始样本点，结合有限元法，利用Kriging代理模型建立目标函数与设计变量间的近似函数关系。基于近似函数和改善期望加点准则，联合遗传算法与序列二次规划算法进行并行运算得到支架结构的改进设计。当目标函数最优解满足收敛条件时，输出支架最终的优化设计结果。方法的具体步骤如下：

步骤一、基于Cosserat连续介质理论，引入了偶应力m和曲率应变χ，建立考虑尺度效应的聚合物材料本构关系：

其中，柯西应力σ、偶应力m、柯西应变ε和曲率应变χ均为向量形式：