» Modelowanie stentów w ANSYS Workbench

Modelowanie stentów w ANSYS Workbench

  1. Znaczenie stentów dla układu krwionośnego
  2. Proces modelowania stentów

Dbałość o zdrowie decyduje o kondycji psychofizycznej człowieka i jego nastawieniu do życia. Zdrowie fizyczne jest uzależnione od poprawnej pracy układów. Jednym z nich jest układ krwionośny – ważnym jego zadaniem jest przepływ krwi, wymuszany przez pracę serca. Niezdrowy tryb życia może się przyczynić do powstawania schorzeń układu krwionośnego, w tym częściowego lub całkowitego zamknięcia części żył lub wystąpienia powikłań zespołu pozakrzepowego (coraz powszechniej występującego zarówno wśród kobiet, jak i mężczyzn).

Znaczenie stentów dla układu krwionośnego

Od jakości obiegu krwi wiele zależy – to właśnie w układzie krwionośnym odbywa się transport krwi, gazów oddechowych i substancji odżywczych do najważniejszych organów człowieka. Jego nieprawidłowa praca skutkuje wystąpieniem schorzeń, które bez podjęcia odpowiednich działań mogą prowadzić do śmierci. Jednym z ich objawów jest zator w tętnicach, wywołujący zaburzenie przepływu tlenu do poszczególnych obszarów organizmu, a w konsekwencji – ich obumieranie (rys. 1).

Choroba wieńcowa jest przykładem powikłań wynikających z nieprawidłowej pracy układu krwionośnego
Rys. 1 Choroba wieńcowa jest przykładem powikłań wynikających z nieprawidłowej pracy układu krwionośnego

Nie tylko układ krwionośny jest narażony na zaburzenia funkcjonowania. Mogą też wystąpić np. niedrożność układu oddechowego czy kamienie nerkowe w układzie moczowym, które przyczyniają się do zwężenia moczowodu albo blokują przepływ moczu.

Na przestrzeni lat medycyna musiała wykształcić metody walki z takimi dolegliwościami. W jednej z nich stosuje się stenty. Są to protezy o niewielkich rozmiarach, zbudowane najczęściej z połączonych ze sobą drucików, tworzących strukturę (rys. 2). Są umieszczane wewnątrz
naczyń krwionośnych, aby przywrócić ich drożność.

Przykład stentu rozprężonego za pomocą balonika
Rys. 2 Przykład stentu rozprężonego za pomocą balonika

Stenty można podzielić na:

  • rozprężane za pomocą balonu (rys. 2),
  • rozprężające się samoczynnie (samorozprężne, rys. 3).
Stent samorozprężny
Rys. 3 Stent samorozprężny

Każdy z tych rodzajów ma inne własności wytrzymałościowe, co należy uwzględnić na wczesnym etapie projektowania. Cechami szczególnie pożądanymi w przypadku stentów są: kompaktowość (możliwość zaciśnięcia do wymiarów niewielkiego cewnika), podatność na zmianę kształtu w określonych warunkach, sztywność na kierunku promieniowym (pozwalająca stawić opór odrzutowi przy rozprężeniu), niska podatność na wyboczenie, odpowiednia wykrywalność (widoczność) i biokompatybilność. Stenty powinny także być odporne na zużycie zmęczeniowe powodowane: obciążeniami pulsacyjnymi (naprzemiennymi zmianami ciśnienia wywoływanymi kurczeniem i rozkurczaniem się naczynia), zmianami stanu naprężenia oddziałującego na konstrukcję, naciskami od pracujących mięśni lub występowaniem odkształceń mogących inicjować proces pękania.

Proces modelowania stentów

Modelowanie stentów na potrzeby badań rozpoczyna się od przygotowania modelu geometrycznego (rys. 4–5), zwykle na podstawie dokumentacji technicznej. Decyzje podjęte na tym etapie (np. zmiany promienia zaokrąglenia, szerokości drutu) rzutują na sztywność i elastyczność modelu. Należy uwzględnić aspekty związane zarówno z procesem produkcji stentu, jak i warunkami jego wykorzystania, np. poprzez dobór średnicy stentu samorozprężnego, która powinna być o około 10% większa niż średnica naczynia krwionośnego.

Model geometryczny stentu może zostać opracowany w edytorach dostepnych w ANSYS Workbench
Rys. 4 Model geometryczny stentu może zostać opracowany w edytorach dostępnych w ANSYS Workbench
Narzędzie Wrap, dostępne w SCDM, używane do nadania stentowi zamkniętego kształtu
Rys. 5 Narzędzie Wrap, dostępne w SCDM, używane do nadania stentowi zamkniętego kształtu

Stent przed rozprężeniem jest zaciśnięty i zazwyczaj otulony osłonką o średnicy mniejszej niż średnica, do jakiej jest rozprężany, co pozwala na jego bezpieczne wprowadzenie do tętnicy. Po wprowadzeniu osłonka jest usuwana, a stent wraca do swoich oryginalnych rozmiarów i wywiera nacisk na ściany naczynia krwionośnego (rys. 6). Cały proces od momentu zaprojektowania do etapu wprowadzenia stentu jest złożony – jego uogólniony schemat przedstawiono na rys. 7.

Zasada działania stentów samorozprężnych
Rys. 6 Zasada działania stentów samorozprężnych
Uogólniony schemat wytworzenia stentu samorozprężnego
Rys. 7 Uogólniony schemat wytworzenia stentu samorozprężnego

Istotnym zagadnieniem w projektowaniu stentów dożylnych jest dobór materiałów na ich wykonanie, uzależniony od typu stentu. Materiałami do produkcji stentów rozprężanych balonikowo są najczęściej stal nierdzewna, tytan lub stopy chromowo-kobaltowe. Stenty samorozprężne wykonuje się z materiałów supersprężystych i stopów z pamięcią kształtu (shape memory alloys), np. niklowo-tytanowych. ANSYS Workbench umożliwia skorzystanie z wymienionych typów materiałów (rys. 8) po wprowadzeniu ich w Engineering Data.

Definiowanie materiału z pamięcią kształtu w module Engineering Data
Rys. 8 Definiowanie materiału z pamięcią kształtu w module Engineering Data

Stenty muszą spełniać wiele wymagań, część z nich jest sprawdzana w procesie symulacji. Analizy numeryczne w ANSYS Workbench dostarczają wyniki trudne do uzyskania za pomocą rzeczywistych pomiarów, np. dotyczące zmian naprężeń (rys. 9) lub odkształceń w cienkich komponentach medycznych. Czyni je to szczególnie użytecznymi.

Wykres zmiany maksymalnych naprężeń redukowanych według hipotezy Hubera-Misesa-Hencky'ego uzyskanych dla stentu
Rys. 9 Wykres zmiany maksymalnych naprężeń redukowanych według hipotezy Hubera-Misesa-Hencky’ego uzyskanych dla stentu

Autor: Radosław Ciemierkiewicz, MESco sp. z o.o.

Artykuł opracowano na podstawie grafik i informacji dostarczonych przez ANSYS Inc.