（机械制造及其自动化专业论文）医用血管支架体外扩张实验平台的研制.pdf

摘要 医用血管支架体外扩张实验平台的研制 研究生姓名 王炜 导师姓名 易红教授 学校名称 东南大学 摘要 随着人们生活水平的提高 生活方式的改变 因心血管狭窄引起的冠心病也越来越多 目前 治疗心血管疾病的诸多方法中 支架植入疗法因其微创伤 成本低 效果显著等优点 已经越来越 受到各国专家的关注 我国对支架植入术的研究才刚刚开始 关键产品血管支架的研究与测试仍处 于起步阶段 本文以血管支架测试平台为研究对象 在了解国内外支架测试的研究现状基础上 从支架关键 特性入手 分析平台的测试需求 并综合研发新血管过程中的测试需求 参考国内外相关支架的测 试方法 结合测控与虚拟仪器技术 以n i 公司的l a b v i e w 软件为平台 研发了一套既满足于本研 究小组对支架研究过程中的测试需求 又具有较强通用性的支架测试平台系统 本文的研究目标是 提供一套针对血管支架测试的方法与工具 并建立一个精确 便捷的血管支架测试平台 内容包括 如下几个方面 l 在研究分析 对比国内外各种血管支架测试研究方法的基础上 根据本课题组支架研究过程 中对测试的需求 综合评估后确定了一整套较为完善的测试平台总体方案 并从软硬件两方面考虑 确定出测试平台主要由 精确控制加压模块 机器视觉模块 模拟血流模块 及其它功能模块组成 整个测试平台应用虚拟仪器与机器视觉等技术来实现 2 根据整体方案的要求 结合机械 力学 仪器 生物医学等学科的相关知识 对测试平台的 硬件进行设计与选型 包括对直线运动单元 压力传感器 步进电机及驱动器 数据采集卡 c c d 图像采集卡 镜头 蠕动泵 减压阀等硬件设备进行设计与选型 最后根据平台硬件布局进行了总 体模块的设计 3 基于l c o d 思想 以l a b v i e w 软件为平台实现整个测试系统的软件架构及各子功能模块的 开发 在确定软件框架 编程风格 及人机交互界面后 以自上而下的方式细化各功能子模块 开 发适当的人机交互界面使得整个软件系统能够更加高效 便捷地实现控制功能 测试功能与分析功 能 另外该系统还能够模拟冠状动脉工况 精确控制加压过程 并实时地提取支架的几何尺寸与球 囊压力参数 以及实现数据结果的处理分析与基于o 伍c e 的试验报告 4 以实例验证了测试平台系统的各项功能 从而对整个测试平台研发工作进行总结 提出后期 的完善及支架测试的展望 本文以测试平台软 硬件两方面为主线对测试平台的研究进行了系统性的阐述 结合现有的研 发条件开发出了血管支架测试平台的原型系统 很好的满足了对血管支架的测试研究工作的需要 关键词 血管支架 虚拟仪器 机器视觉 压力控制 l c o d 东南大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nap l a t f o r mf o rv a s c u l a rs t e n t e x p e r i m e n ti nv i t r o b y w a n g w e i s u p e r v i s e db yp r o f e s s o ry ih o n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t c u r r e n t l y g o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to f l i v i n gc o n d i t i o n s s o m ep r o b l e m sa l s oa p p e a r s f o re x a m p l e t h ec o r o n a r yd i s e a s e s m a i n l yc a u s e db yt h ea t h e r o s e l a r o s i so ft h eh e a r ta r t e r i e s a r et h em o s tc o m m o n r e a s o nf o rh u m a nd e a t h a m o n gt h ep o p u l a ri n t e r v e n t i o n a lt r e a t m e n t s t h es t e n ti m p l a n t a t i o nn o w a d a y s p r e v a i l s a san e wt y p i c a lt h e r a p ym e t h o df o rt h ec o r o n a r yd i s e a s ed u et oi t sl i t t l eh u r tt ot h eb o d ya n d e x c e l l e n te f f e c t i v e n e s s t h ei m p o r t a n c eo ft h e t r e a t m e n ti sr e c o g n i z e db ye x p e r t si nv a r i o u sc o u n t r i e s h o w e v e r t h er e s e a r c ho f t h es t e n ti m p l a n t a t i o ni s j u s to nt h eb e g i n n i n gi no u rc o u n t r y t h i sp a p e rp r e s e n t st h et e s ti n s t r u m e n to f t h es t e n t t h em a i nr e s e a r c ho f t h ep a p e ri sf o c u s e do nt h e s t e n tt e s t i n gs y s t e mb a s e do nt h em e a s u r e m e n t t e c h n i q u e t h ec o n t r o lt e c h n i q u ea n dt h el a b v i e ws o f t w a r e p a c k a g e t h ea i mo ft h i sp a p e ri st op u tf o r w a r da ne f f e c t u a lm e t h o do rt o o lc h a r a c t e r i z e db yt e s t i n gt h e s t e n tp r o d u c t t b em a i nc o n t e n t so f o u rr e s e a r c ha r el i s t e db e l o w 1 t h er e s e a r c hb e g a na tt h er e q u i r e m e n to f t h ep l a t f o r mo f t h es t e n tt e s t i n g i tb a s e do nt h er e s u l to f t h ec o m p a r ei n t e r r e l a t e dr e s e a r c h i nt h ee n d ac o m p l e t e dt e s tm e t h o do ft h es t e n tw a so u t l i n e d t h e p l a t f o r mi n c l u d e dt h r e es u b m o d u l e s t h a ti s t h ep r e s s u r ee x a c tc o n t r o ls u b m o d u l e t h em e c h a n i c a lv i s i o n s u b m o d u l ea n dt h es i m u l a t i o no ft h eb l o o ds t r e a ms u b m o d u l e 1 1 1 ep a p e rr e l a t e ds o m ek e yt e c h n o l o g y v i r t u a li n s t r u m e n ta n dm e c h a n i c a lv i s i o nt e c h n o l o g y 2 1 1 1 ep r o j e c tb a s e do nm a n ys u b j e c t s s u c ha st h em e c h a n i s m m e c h a n i c s i n s t r u m e n t a n d b i o m e d i c i n e e t c t h ep r e s s u r ec o n t r o ls u b m o d u l ei n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s l i n em o t i o n c e l l p r e s s u r e s e n s o r s t e pm o t o ra n di t sd r i v e rp o w e r h i g l l p e r f o r m a n c em u l t i f u n c t i o ni od e v i c ef o rp c a n ds oo n 1 1 l e m e c h a n i c a lv i s i o ns u b m o d u l ei n c l u d e sc c d i m a g ea c q u k ec a r df o rp c i c a m e r al e n s t h es i m u l a t i o no f t h e f l o o di n c l u d e sc r e e p sp u m pa n dd e c o m p r e s s i o nv a l v e a n dt h e nw ed e s i g n e dap l a t f o r mf o ra s s e m b l i n gt h et h r e e s u b m o d u l e 3 as o f t w a r ep a c k a g eo f t h et e s ts y s t e m b a s e do nt h el a b v i e ws o f t w a r ea n dl c o dc o n c e p t w a s d e v e l o p e d t h es i g n a lw a sc o l l e c t e du s i n gt h en u m e r i cp i da r i t h m e t i c a n ds od o e st h ec o n t r o lo f t h es t e p m o t o r t h em e c h a n i c a lv i s i o nw a sd e v e l o p e do nt h en ii m a qs o f tm o d u l e w h i c hm e a s u r e st l l ed i m e n s i o n o fe x p a n s i o ns t e n ta n da n o t h e rc o r r e l a t i o np a r a m e t e r w i t ht h ec r e e pp u m p t h ev a l v ea n ds o m ep i p e sm a k e u pa ne q u i p m e n tf o rs i m u l a t i o no f t h eb l o o ds t r e a m t h ep l a t f o r ma l s oi n c l u d e sam o d u l ew h i c hc a nr e c o r d a n da n a l y z et h ee x p e r i m e n td a t a 4 f i n a l l yac o m p l e t e ds y s t e mw a si n t r o d u c e da c r o s sae x p e r i m e n te x a m p l e ns u m m i n g i l pa n d e x p e c t a t i o no f t h er e s e a r c ho f t h et e s t i n gs t e n tp l a t f o r m b o t ht h eh a r d w a r e sa n dt h es o f l w a r e sw e r ed e v e l o p e df o rt h et e s tp l a t f o r m t h u sc o m p l e t i n gt h et e s t w o r kp e r f e c t l y k e yw o r d s v a s c u l a rs t e n t v i r t u a li n s t r u m e n t m e c h a n i cv i s i o n p r e s s u r ec o n t r o l l c o d u 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 抄咖 日期 矿夕 彩 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论 文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包 括刊登 授权东南大学研究生院办理 研究生签名 导师签名 易c i h 日期 7 够 口 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍支架植入疗法概念与发展历程 然后就目前国内外在血管支架试验测试研究领域 的现状 进行了较深入的分析与探讨 并指出了目前支架试验测试领域的研究热点与存在的问题 最后阐述本文的主要研究内容 立论依据和选题意义 以及本文的来源与结构 1 1 研究背景 血液在人体的循环系统中川流不息 循环不止 它一方面将氧气和营养物质运送到全身各处 另一方面又从全身各处将新陈代谢所产生的二氧化碳和其它代谢废物 运送到肺和其他排泄器官排 出体外 人体的血液循环包括动力系统与管路系统两部分 其动力系统是心脏 其管路系统是血管 两者合成为心血管系统 伴随着我国人民的物质生活水平的提高与生活方式改变 心血管疾病发病率越来越高 特别是 因为心血管狭窄如下图1 1 所示 引起的冠心病已经成为危及人类生命健康安全的主要疾病之一 目前 在医学上 国内外对冠心病的治疗主要分为药物治疗 外科手术和介入治疗三大类 药物治 疗周期长 见效慢 副作用大 患者容易产生对药物的依赖性 外科手术对病人会产生永久性的伤 害 介入性疗法则因其创伤小 效果好 而成为目前治疗心血管狭窄的新型方法 图1 1 血管狭窄病变图 1 1 1 介入性疗法 支架简介与其发展历程 冠状动脉狭窄是由于血脂代谢异常 冠状动脉损伤炎症反应等原因导致 随之而来的心肌缺血 会逐渐发展成心肌梗死 心力衰竭等严重的后果 传统的药物疗法不能完全解除由冠脉狭窄所引起 的心肌缺血 而介入治疗可较完美地解决这一难题 发展至今 冠心病的介入治疗包括经皮冠状动 脉腔内成形术 切割球囊术 冠脉内旋切旋磨术 冠脉内血栓抽吸术结合远端保护装置 激光血管 成形术和近来越来越受重视的支架术等i l l 支架术 s t e n t 一种植入人体血管内的网孔状结构的管状物 材料一般为医用不锈钢或其它金 属如钴合金及可降解的材料等 在经皮穿刺腔内冠状动脉成形术 p t c a p e r c u t a n e o u st r a n s l u m i n a l c o r o n a r ya n g i o p l a s t r 基础上 通过输送系统 即球囊导管 将附着在球囊表面上的金属支架送至 血管病变处 支架被球囊扩张开后释放于病变处 用于在血管狭窄部位支撑血管壁如下图1 2 所示 东南大学硕士学位论文 图卜2 球囊扩张支架治疗因狭窄血管引起的冠心病的过程 1 9 6 4 年d o t t e r s 次使用 s t e n t 一词描述一种可通过非外科方法植入动物股动脉血管的丝编管 状物1 2 1 1 9 6 9 年d o t t e r 在治疗动脉皱缩时 提出在动脉血管内放置可膨胀的盘绕弹簧的设想 1 9 8 3 年首次报道关于血管腔内膨胀式支架p j 1 9 8 5 年g i a n t u r c o 提出了在动物血管内植入丝编自膨 z 形 支架 同时p a l m a z 提出用扩张球囊导入血管腔内支架的概念 4 j 被认为是第一个真正意义上的支架口 1 9 8 6 年法国的j a c q u e sp u e l 首次在人体内植入血管支架 1 9 8 7 年s c h a t z 等发表了关于冠脉植入支架的 报告1 0 1 直到1 9 9 4 年s e r r u y s 等公布了关于支架术与常规血管成形术的随机比较实验证实了支架的 有益效果 7 8 1 支架发展至今 已经形成了适于不同功用与尺寸的 较为完整的体系 目前临床上有许多种类 的支架 根据不同分类方法表示如下表1 1 表1 1 支架分类 分类方法种类 根据支架的网状支架 管状支架 缠绕型支架 环 设计不同状支架 根据支架材 3 1 6 l 不锈钢支架 镍支架 钽支架 料的不同可降解材料支架 根据输送方球囊膨胀式支架和自膨胀式支架 式的不同 根据特殊用 适合分叉病变支架 适合分叉的支架 途而设计不 针对冠状动脉瘤或穿孔的带膜支架 同 根据是否采 金属裸支架和药物洗脱支架 用涂层技术 在介入医疗器械领域中 心血管类微创介入治疗器械风险性最高 对该类器械的性能指标要求 2 第一章绪论 也最高 因此在产品先期的仿真与模拟相应环境进行测试是极其重要的研究环节 无论是国内还是 国外 血管支架及其附属部件都属于需要纳入严格监管的第1 i i 类医疗器械产品 所谓第l i i 类器械通 常是指那些植入人体 用于支持 维持生命 对其安全性和有效性必须严格控制的医疗器械 9 1 美 国食品药品监督管理局 f o o da n d d r u g a d m i n i s t r a t i o n f d a 针对血管支架及其部件发布了详细的 非l 临床性能测试指导方法i l 对血管支架的生产与销售严格进行上市前批准 p r e m a r k e ta p p r o v a l s p m a 和5 1 0 k 申请制度 同时 由于器械的技术复杂性和潜在的健康危害性 也实行严格的上市后 监管 例如2 0 0 3 年1 0 f d a 就c y p h e r 冠状动脉支架有关的不良事件对医师发出公共健康通告 这 是由于f d a 在批准该支架上市后不到半年就收到2 9 0 多份关于植入该器械之后1 3 0 天发生血栓形成 的报告 且6 0 多例患者的死亡与使用该器械有关 目前国内外的心血管支架的大部分市场由美敦力 m e d t r o n i c 波士顿 b o s t o ns c i e n t i f i c 和强 生 j o h n s o n j o h n s o n 三大国际品牌所占有 如下图1 3 中著名产商的支架产品 国内的支架产业 还处于起步发展的阶段 例如上海微创 深圳先健 北京安泰等 据统计 目前各种类型的管腔内支 架己达百余种 j 但是 不同支架设计所对应的临床效果存在明显差别1 1 2 1 3 1 因此 对支架的力学性能 进行精确测量分析与评价 成为了提高支架产品质量和缩短新产品开发时间的重要手段 已经成为微 创伤医疗器械研究领域面临的主要问题 a c o r d i s c y p h e rs i r o l i m u s e l u t i n gs t e m b m e d t r o n i c e n d e a v o r d m g e l u t i n g s t e m c b o s u ns c i e n t i f i c d g u i d a n t t a x u s e x p r e s s 2 s t e n t m u l t i l i n k f r o n t i e r b i f u r c a t i o n s t e m 图卜3 著名支架制造商产品 1 1 2 血管支架试验测试的现状 关于支架的性能测试 国外有相关的一些文献或报道 国内由于起步较晚 则较少 但各国的 规范和指南对此均有要求 如美国食品及药品管理局健康与人类服务部颁布的1 5 4 5 号标准 1 4 j n o n c l i n i c a lt e s t sa n dr e c o m m e n d e dl a b e l i n gf o ri n t r a v a s c u l a rs t e n t sa n da s s o c i a t e dd e l i v e r y s y s t e m s 欧洲规范要求也很详细 其它国家参照f d a 规范也有自己的规定 支架的性能测试包括口l j 材料分析测试 包括成分分析 拉伸和延展等力学特性 腐蚀性等 支架本体性能 支架金属表面 积与支架直径的变化曲线 一致性 径向强度 疲劳测试 回弹 相容性 膨胀 尺寸 表面特性 凝血性能 支架与输送系统集成性能 标定直径下的最大压力 支架顺应性数据 绑定强度 球囊 负压回缩性能 球囊扩张和负压回缩时间 穿越外廓等 其中疲劳测试包括利用有限元方法进行应 力分析和高频疲劳模拟等效试验 3 东南大学硕士学位论文 在医用血管支架测试方面 国内外较多研究人员通过动物实验手段1 1 t 1 对支架的扩张性能进行 研究 但此方法研究测试周期通常很长 于是 通过体外实验 研究支架扩张性能和受支撑血管内 的血流动力学问题越来越受到众多研究者的关注 根据各种测试的目标与方法不同可以分为以下三 个方面 在球囊与支架性能测试方面较有代表性的研究有 c h u ac 1 等人研究了扩张过程中球囊和支架之 间的相互作用 以及不同加载速度对支架扩张性能 短缩量和应力分布的影响 w s c h m i d t 2 1 等 人用实验方法测量了临床上使用率较高的五种典型支架 其方法是用多曲率导管用比较方式进行测 量支架的柔韧性 并用三维测量仪测量扩张后的支架几何尺寸 应用x 光机测量支架在血管内的扩 张的情况 w o l f r a ms c h m i d t p e t e rb e l l r e m 等设计了一套不同曲率的模拟血管 将球囊与支架经 导管运送到预定位置即血管狭窄病变部位 推断支架的柔韧性及硬度 而后加压球囊进行扩张 测 量支架对血管的影响 并测得支架各参数 以便设计更好的支架 a j n a r r a c o t t 等人通过六个摄 像机从不同的角度实时采集支架扩张过程的图像 后将多个图像进行组合 形成一个高精度三维立 体画面 得出支架各方面几何尺寸参数 记录了支架在扩张时的几何形状 在支架植入过程中 以及植入后对血流 血管的影响方面有代表性的研究有 n a t a r a j a n 等 人从流体力学的角度 通过可视化实验研究了支架植入对于血流的影响 b e n a r d 等人通过在体外 模拟受支架支撑的血管内环境 研究了血流的扰动情况 从而确定出血流对血管内壁的剪切力 其 方法是应用伺服泵 阀及水箱组成的一个仿身人体血流系统 应用激光照射血管 并用摄像机录制 其图像 根据图像分析支架变形的几何尺寸与前后的血流变化情况 s m n l l e r h u l s b e c k i l 8 1 等人用实 验方法研究了关于球囊扩张支架与自扩张支架 在血流作用下 支架对血管与血流的影响及血管上 的应力分布情况 c k c h o n g l l 9 j 等人用一个齿轮泵与活塞泵及一系列阀的组合作为动力源 并设计了 一个仿腹部血管 材料 硅酮 及一个仿血管末梢阻力设备 应用多个高精度超声波流量传感器测 量血流量 压力传感器测量其压力值 恒温箱控制 保持3 7 度 模拟血液 液体特性与血流相类似 材料 丙三醇 氯化钠混合物 的温度 利用激光照射与图像传感器方式测量腹部血管在支架植入 前后的有关血流的影响与支架的变形情况 以及血管所受的剪切应力等 p w w a l s h 等人也应用 蠕动泵 伺服阀 循环加热泵 腹部动脉血管仿真器 以及几个小的控制阀构成一个模拟血流装置 并应用超声流量传感器对各支动脉进行流量测量 应用可视化的方式观察支架的植入对血液流量的 影响并记录血流的变化 j o s e p hm g a r a s i e 等人则直接通过i 临床观察的方法 应用3 d 造影设备观 测植入人体的支架与血管变化 如血管壁的增厚等特性 j o l a n d a 等人1 2 9 1 对支架植入后血管形状的改 变以及血管壁所受剪切力进行了研究 在应用数值方法与实验相结合的方法对支架与血流方面较有代表性的研究有 n a t a r a j a n l l7 j 等人 应用计算流体动力学和实验手段 研究了受支架支撑的血管内病变处局部的血流动力学 g p o n t r o e l l i j 贝u 应用数值仿真技术模拟对支架植入血管中对这种多场耦合高度非线性的情况 对支 架扩张与血流影响进行了模拟实验 用理论与仿真的方式揭示它们的相互影响的关系 d r h o s e 等人则应用数值仿真与实验相结合的方式进行对支架与血管之间的受力分析 应a n s y sl s d y 有限 元软件对支架扩张过程的高度非线性情况进行了仿真 并将其仿真结果与实验结果进行对照 w w a l k e 等人结合实验与有限元方法分析支架治疗动脉狭窄问题与支架扩张时机械力学性能 以及 对植入过程与植入后对动脉的影响 f t r e y v e 等人借助超声设备观察并测量病人病变部位血管 并结合这些参数应用有限元方法分析其相应支架变化与对血管影响 当前 采用数值计算方法来研 究 从医学图像 如磁共振成像 重建的血管模型 到应用计算流体力学方法分析血流动力学 及 模拟支架植入前后进行耦合是目前研究的热点p0 j 在血管动力学软件工具方面 斯坦福大学虚拟 血管实验室的t 酊l o r 等人p 开发出包括建模 网格划分 三维脉动流体求解 科学可视化和定量数 据提取的软件系统 我国目前心血管支架仍以进口为主 对支架的研制还处于起步阶段 缺乏实验和测试支架的经 验和技术的研究 综上所述 众多的研究者通过体外与模拟体内试验对支架进行了测试与分析 主要涉及扩张过 4 蔓二兰堕堡 程中支架结构变化的几何尺寸与相对应所受膨胀的压力值的关系 及植入后的血流动力学和支架寿 命研究等方面 1 2 立论依据与研究意义 1 2 1 存在的问题 综合分析上述的研究现状可知 众多研究者通过体外与模拟体内实验 在支架测试领域已经取 得了大量的研究成果 研究了支架扩张性能 以及支架植入后血管受力情况与血流动力学问题 并 结合数值方法进行了仿真测试等工作 但同时也存在一些问题 如使用的测试设备较为昂贵 使用 较为复杂 不是很适于实际工程中进行的大量实验 较少涉及对自动 精确的控制加压球囊扩张过 程的研究 其它主要包括如下几个方面 1 在支架扩张过程 较少考虑到球囊内的压力冲击等因素引起的支架变形与对血管的损伤 对 自动加压系统研究较少 加压扩张支架过程不便于精确控制 2 目前支架测试研究大多还处在实验研究阶段 较少具有对测量结果进行自动分析的模块 面 对大数据量的分析与关键参数的提取时 工作量较大 加长了实验测试环节的时间周期 不利于工 程的实际应用 3 目前由于测试设备主要应用于研究 而非针对工程实际应用 因此很少考虑到有关于自动生 成测试报告方面的研究 但若要改进与优化支架 需要实验人员通过手工统计处理生成测试报告 效率较低 4 在实验研究支架测试工作时 众多学者使用诸如x 光机 超声探测等装置 设备相当昂贵 且多种不同设备相互之间的数据交换不便 操作也较复杂 1 2 2 选题意义 血管支架试验测试平台的研究是一个涉及到流体力学 机械 仪器 信号处理等多学科的交叉 课题 根据本学科组研究支架的实际需要 以及结合国内外测试平台的研究基础上 本文确定从满 足支架测试实验需求出发 研究支架扩张过程的测试设备 原因在于以下几点 l 研制精确控制支架受球囊扩张过程的设备 为研究支架扩张过程种涉及的几何形状 力学性 能等参数的研究提供实验基础 2 研究在球囊扩张支架过程中如何准确 快速的测量与提取支架的几何尺寸参数 以及支架的 回缩等特性和球囊扩张对血管的影响 为应用数值方法仿真进行改进与优化支架设计 提供实验数 据 3 在支架植入后 研究如何观测血流脉动冲击的作用对支架的几何参数变化等相关性能的影响 以了解血流 血管 支架 球囊多方耦合相关影响 为支架的改进设计提供实验数据支持 4 研制开发有效的存储实验数据方式 及如何提取实验过程中的关键参数等的方式方法 并自 动生成实验报告 以减少实验人员的工作 提高测试与支架研发效率 因此 支架测试作为血管支架研究中重要的一个环节 支架测试设备的研制的好坏则直接影响 支架研究的进度 不仅能够为设计与制造出的支架提供测试平台 及早发现问题以便改进支架的设 计与制造工艺 而且能够为支架研究中动物实验 临床实验提供有利的数据支持与参照 1 3 论文的主要内容 鉴于上述原因 本文围绕医用血管支架测试平台进行研究 重点介绍如何应用实验手段去获取 支架相关参数 为医用血管支架设计研究提供一个良好的实验平台 血管支架测试试验平台是以测 量血管支架的关键性能参数为目标需求的设备 论文主要内容包括支架重要性能参数的需求分析 测试平台的总体方案 测控装置的软硬件的设计与开发 所以本文的主要内容包括如下几个部分 5 东南大学硕士学位论文 1 研究建立一套精确控制球囊扩张加压系统 实现对支架扩张过程的精确控制 在球囊扩张支 架过程中 要求其能够准确的控制压力值以及压力变化速度 并能够实时的 准确的记录压力值 2 研究建立一套机器视觉测量系统 以便能够实时获取支架在扩张过程中几何尺寸参数 并同 时保存相对应的压力值与扩张时间 3 研究建立模拟人体心脏的冠状动脉工况 寻找一种材料类似于病变部位的血管 模拟支架的 实际工作环境冠状动脉工况 以便更加全面 精确的对支架进行测试 同时可以为后期的支架疲劳 实验作基础 4 研究开发一套数据分析处理模块 进行分析和处理支架扩张过程 以便从大量的测试数据中 提取出对支架影响较大的数据点 或后续动物实验与临床以及设计仿真较关心的数据 分析各相关 参数之间的影响 开发自动报表系统以降低实验员的工作量 以及其他辅助性软件模块的设计 如 练习模块与帮助模 使整个系统更加完善 5 在上述研究的基础上 将各部份硬件集成到同一平台上 开发一套完整的测控软件系统 以 便实现预定的功能 最终搭建出一个面向医用血管支架体外与模拟体内的测试平台 1 4 课题来源与文章结构 课题来源于教育部科学研究重点项目 纳米颗粒载药涂层支架的研究与开发 项目号 1 0 6 0 8 3 和江苏省自然科学基金重点项目 医用血管支架数字化设计和制造方法体系的研究 编号 b k 2 0 0 6 7 0 9 主要研究建立面向医用血管支架扩张过程的力学性能测试平台 本实验平台在已毕 业的王跃轩博士所搭建的手动加压扩张简易支架测试平台的基础上 加入模拟血运模块 将其加压 方式变为精确控制加压过程 完善其机器视觉测量模块中软硬件的基础上 建立一个更加完善 精 确 高效 便捷的测试平台系统 本文共分为六章 第一章 绪论 本章通过查阅大量的文献资料 在介绍介入性治疗心血管狭窄疾病与支架研制 的发展历程基础上 对目前国内外在血管支架研究现状 特别是支架测试领域的现状进行深入的分 析与探讨 指出了支架测试领域的研究热点与存在的问题 阐述了本文的立题依据和选题意义 确 定了本文的研究内容与文章结构 第二章 血管支架测试平台的总体方案 本章从分析平台的测试目标与本学科组所从事支架研 究的实际需求入手 得出了影响支架性能的关键参数 研究选取合理的测试方法 最终确定出总体 方案 包括相应的软件与硬件平台 以及对虚拟仪器技术 l a b v l e w 软件技术 机器视觉原理等关 键技术在测试平台中的应用进行说明 为后续章节中测试平台搭建工作提供理论依据 第三章 测试平台的硬件设计与开发 根据整体方案的要求 结合机械 力学 仪器 生物医 学等学科的相关知识 对测试平台的硬件进行设计与选型 分别从各模块所需硬件出发 包括直线 运动单元 压力传感器 步进电机及驱动器 数据采集卡 c c d 图像采集卡 镜头 蠕动泵 减 压阀等硬件设备进行设计与选型 最后根据平台硬件布局进行了总体模块的设计 并就关键硬件的 特性进行较为详细的介绍 为下 章软件系统的开发提供相应的硬件特性信息 第四章 测试平台的软件设计与开发 本章首先从平台的软件架构着手 定制相应的开发规范 与风格及人机交互界面 确定各模块之间的关系 以及代码重用问题 从整体出发自上而下逐步细 化各子功能模块 实现平台中的控制 测试与分析功能 包括模拟冠状动脉工况 精确控制加压过 程 实时提取支架的几何尺寸与球囊压力参数 以及数据结果的处理分析与o f f i c e 数据报表的实现 第五章 测试系统验证 本章介绍一个完整的支架测试过程 模拟冠状动脉工况系统 标定尺 寸测试模块 选定自动加压模块中的各压力控制点 后选取要测量的参数尺寸区域 数据报表相应 参数设定 以及后续的数据结果分析 及练习与帮助模块的使用 并从测试过程与结果中分析平台 各模块的功能效果 第六章 总结与展望 本章是对全文研究内容进行总结 指出研究中的不足与后续工作的目标 6 第一章绪论 展望支架测试领域研究的未来 文章结构如下图1 4 所示 东南大学硕士学位论文 第二章血管支架测试平台的总体方案 本章主要研究内容是血管支架测试平台的总体方案 在综合比较相关测试方法的基础上 分析 测试平台的需求 并结合本学科组成员对心血管支架研究中的测试需求 经综合评估 分析得出针 对平台需求的一整套测试方法 最终确定平台的总体方案 详细论述针对每一测试需求 设计相应 的测量方法 在测试平台中的应用到的虚拟仪器技术 l a b v i e w 软件技术 机器视觉原理等关键技 术进行说明 为后续章节中测试平台搭建工作提供理论依据 2 1 测试平台的需求分析 多年的临床手术案例统计出的理想血管支架的特征 即支架的关键性能参数 决定了测试平台 所需要测量的目标 在新型支架研发过程中 如何预先判断其性能是否优良 将研制出的支架的性 能与理想支架性能技术参数特性进行比较 当然 最终效果一定是以临床使用的效果为准 根据临 床统计出来的理想的血管支架应具有如下特征0 3 3 4 1 1 示踪性好 具有较好的射线不透过性 有利于造影时的准确跟踪 射线不透过性除了与材料 本身的性质有关外 还与支架的结构设计有关 如较厚的支架壁厚射线不透过性会更好 根据支架 在x 射线下的可视程度不同分为高度 中等 低可视性 2 支撑力好 具有足够的强度以抵抗动脉壁的回弹力 显然这是对支架的一个最基本的要求 人们在寻求新的材料的支架 如生物降解高分子材料或生物降解金属镁铝合金等 首先考虑的一个 因素就是强度问题与机械持久性 它还与支架网孔的形状和面积大小 支撑效率 指支架实际工作 时的直径与支架理论上完全扩展后的直径的比值 金属覆盖率 指支架扩张后金属面积占相应支 撑血管面积的百分比 取值过小虽然组织相容性好 但减小支撑强度 取值过大时 支撑强度好但相 容性差且被认为易形成血栓 3 轴向柔韧性好 可通过弯曲血管 血管走向往往弯曲多变 柔韧性好的支架不但易于穿过这 些弯曲血管 而且在其释放后不会将弯曲血管过分拉直而过多改变或破坏血管形状 4 支架长度的缩短率 是指支架膨张后膨胀开的支架缩短的长度占原长度的比率 缩短越多则该 比值越大 在支架释放后长度不变或短缩很小 以利于精确释放 支架准确释放并有效覆盖病变部 位可使l 临床效果更好 如果支架释放前后长度变化较大 不利于支架在目标部位正确定位 因此支 架长度变化很小的支架更利于医生操作 5 支架直径的回缩率 即支架直径回缩值 膨胀后的直径与实际支架直径的差值 与支架膨胀后 直径的比值 6 支架输送系统简单且操作方便 支架输送系统的外廓越小越好 以利于通过微细导丝和导引 导管 并可通过高度狭窄的病变部位 这就要求支架在释放前能收缩到尽量小 7 支架扩张性能可靠 有较高的扩张率 保证支架在较小的外廓下可以扩张到较大的直径 8 在手术失败时可以回收 虽然现有的技术水平下很少发生失败 但一旦出现 将其取出对于 病人来说是最好的选择 9 侧枝通过性好 由于一些分支血管的供血对器官的影响大 在支架植入后利用支架的网孔保 持分支血流通畅 1 0 对血管壁的损伤小 减小内膜增生引起的支架内再狭窄 内膜增生与血管壁的损伤程度密 切相关 内膜增生严重会引起支架内再狭窄 因此良好的支架在释放后应对血管壁的损伤尽量小 11 生物相容性好 耐腐蚀抗血栓 支架长期处于生物体内环境 既要耐腐蚀 又要不造成血 栓形成 1 2 产品寿命长 抗疲劳 在人体内能长期保持其性能 支架植入血管后将长期存在于体内 若无特殊情况几乎伴随人的一生 因此支架必须能在人体内长期保持其性能且在人的生命期内不会 8 第二章血管支架测试平台的总体方案 破坏 1 3 支架植入后应符合流体力学 即不影响血管的血流动力学形态 1 4 价格不宜太高 易为患者承受 在病人越来越多 支架术越来越普遍的情况下 支架行业 竞争日趋激烈 降低支架的设计制作成本将是支架制作者追求的目标之一 针对上述理想支架所具有的1 4 条主要特征或影响因素中 其中第1 条示踪性 只需将设计好的 支架放在相应的造影仪器下 就可以进行检测 其性能主要取决于所选用的材料与支架结构 第3 条轴向柔韧性测试比较简单 在后文中不再详细解说 第8 条手术后的回收问题则也主要在于设计 思想 在设计中考虑即可 第9 条所述的侧枝旁通问题 应针对具体的支架进行 因本学科组目前 尚未对此进行研究 因此在平台可以根据今后的要求进行扩展 改变相应的血管形状即可 在平台 建设初期 则不作特别考虑 第1 1 条所述的生物相容性与耐腐蚀抗血栓 这个可以通过动物实验进 行检验 为本组其他成员研究部分 第1 4 条价格问题则需要从设计 生产 测试销售 临床手术方 式等各环节去考虑了 本文只考虑支架测试系统的性价比问题 对于上述理想支架性能参数的其他8 条特征 第2 条撑力主要为血管对支架的影响 测量时 可以通过应用不同的血管材料测量其强度问题 及高频血流脉动检查其耐久性 第4 5 7 条支架 扩张前后的变形 可以通过测量支架变形前后与扩张过程中的尺寸值进行分析 第1 0 条 为支架扩 张过程对血管壁的损伤及破坏 可以通过扩张过程的图片进行观察 或通过应变片对模拟血管进行 测量其管壁上的应力分布 第1 2 条 产品寿命可以通模拟心血流与人体其他影响因素对其进行长时 间 高频率的作用检测其耐久性 第1 3 条血流动力学问题 可以通过对支架的植入前后的血流变化 进行观测与分析 综上所述对血管支架的测量主要集中于病变血管处血流环境下 支架扩张前后的 直径 长度变化 相对应的扩张球囊压力值变化 以及相应的支架与血管的受力情况 如下图2 1 所示一区域对应于实验过程中支架外界环境参数 二区域则为支架自身在不同外界环境参数下的性 能参数 三区域则对应于实验结束后支架与血管的变化 图2 1 支架测量需求分析 2 2 测试平台的总体方案设计 基于上述支架关键性能参数的分析 可以得出测试平台总体方案设计应涉及精确加压控制 实 验过程中的支架关键几何尺寸参数的实时获取 以及外部环境即血流与血管模拟的建立三大部分 三部分既相互对应 又缺一不可 下面就按照这三个方面进行测试平台总体方案的设计分析 2 2 1 精确控制加压方案选择 扩张后的支架情况如下图2 2 所示 本实验室所设计的血管支架 支架变形程度主要取决于扩 9 东南大学硕士学位论文 张球囊所受的内部液体的压力 目前大多数心血管支架的正常工作压力在6 1 0 个大气压左右 而破 坏压力则一般在1 5 2 5 个大气压左右 但是支架变形相对于压力值的变化则并不是线性的 在未达 到支架材料的塑性变形之前 变形较小 一般情况下 在4 到5 个大气压时 支架会迅速变形 到 6 个大气压时达到工作状态 继续加压 支架变形较小 到达1 5 个大气压左右 支架开始破坏 压 力变化是引起支架形状的变化的最重要的影响参数 图2 2 球囊扩张后支架 球囊扩张压力是支架变形的主要原因 但加压方式 加压速度及加压时间等参数则是引起支架 变形差异的最重要因素 若要在各种状态下全面获取支架机械力学性能及最佳的支架扩张变形参数 则需要加压设备能够满足上述三个方面可控地进行加压 使其能够适用于不同的扩张球囊与支架测 试的要求 具有了加压控制的灵活性 通用性 支架在扩张变形过程中 径向与轴向尺寸最主要取 决于扩张压力 如前所述血管支架本身属于微小薄壁网孔状器械 以冠脉支架为例 其通常采用优 质医用3 1 6 l 不锈钢管经激光切割 热处理和抛光处理而成 其壁厚不到0 1 m m 直径大约l m m 5 r a m 轴向长度也不过l o m m 3 0 m m 对于扩张球囊的压力变化相当敏感 而扩张球囊的体积又非 常微小 如采用普通的方法加压 直接应用调压泵或恒压泵加上可控减压阀等方式将很难达到实验 的要求 于笔者提出了应用精密直线运动单元推动注射器 目前做支架实验中常用加压工具 的方 式进行加压 并应用压力传感器对球囊一端进行实时的压力测量 使整个过程形成 个压力闭环控 制系统 整个系统可以借助虚拟仪器技术 利用测量板卡进行控制与测量 通过测量板卡完成对压 力传感器的模拟电压信号的采集 然后利用此压力信号控制直线单元中的步进电机进行加压 系统 方案如下图2 3 所示 图2 3 精确控制加压系统方案