编织支架截面几何形状优化对脑动脉瘤血流动力学的影响机制研究

（编辑推荐）本研究通过有限元分析和计算流体动力学（CFD）模拟，系统评估了五种不同截面形状（圆形、四边形、六边形、八边形、十边形）的密网支架在弯曲柔顺性和血流动力学参数（如流速、压力、壁面剪切应力WSS）的差异，为优化血流导向装置（PED）设计提供了关键理论依据。结果表明，四边形和十边形截面支架在柔顺性、瘤腔血流抑制及低WSS区域调控方面表现最优。

　　

1 引言

脑动脉瘤是血管壁局部异常膨出形成的病变，其破裂可能导致致命性蛛网膜下腔出血。血流导向支架（如Pipeline栓塞装置PED）通过改变局部血流动力学环境促进瘤颈血栓形成，但现有支架在柔顺性和血流调控方面仍有优化空间。既往研究多聚焦支架孔隙率、编织角度等宏观参数，而对编织丝截面几何形状这一微观特征的探索不足。本研究首次系统分析了不同截面形状（保持截面积7.071×10^?4 mm²恒定）对支架性能的影响，采用镍钛合金（密度6.5 g/mm³，泊松比0.35）为材料，结合理想化动脉瘤模型（瘤体直径9 mm，载瘤动脉直径4.75 mm），通过多尺度模拟揭示了截面形态与临床疗效的关联机制。

2 材料与方法

2.1 支架结构

基于临床PED原型（48根直径0.03 mm编织丝），设计五种截面支架（孔隙率68.3%-74.2%），通过Abaqus软件建立三维模型。弯曲测试采用显式动力学分析，控制动能占比<5%以消除惯性力干扰；血流模拟通过ANSYS Fluent 2022R1实现，采用多面体网格（最小单元0.01 mm）和瞬态层流模型（血液密度1,060 kg/m³，粘度0.0035 Pa·s），入口流速波形与出口压力波形均按生理周期设置。

2.2 评价指标

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  柔顺性：60°弯曲角下的扭矩-角度曲线

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  血流动力学：瘤腔三平面（XZ-1至XZ-3）平均流速、壁面压力梯度、低WSS（<0.5 Pa）区域面积

3 结果

3.1 弯曲柔顺性

十边形截面支架在60°弯曲时所需扭矩最低（3.2 N/m），柔顺性最佳；四边形支架在小弯曲角（<42°）时表现更优。应力分布显示，多边形支架几何拐角处易出现应力集中，而圆形和十边形截面应力分布更均匀（图4）。

3.2 血流速度调控

所有支架均显著降低瘤腔流速（XZ-1平面从14.8 cm/s降至4-5.8 cm/s），其中四边形截面在瘤颈区流速抑制最显著（4 cm/s vs 圆形5.8 cm/s）。载瘤动脉最大流速提升至93 cm/s，仍处生理安全范围（图8）。

3.3 压力分布特征

六边形和十边形支架使瘤腔平均压力最低（15.42 kPa），且壁面压力梯度变化较圆形支架平缓30%。值得注意的是，八边形支架壁面承受最大压力（16.2 kPa），可能增加血管损伤风险（图11）。

3.4 WSS调控效应

四边形支架在瘤壁低WSS区域面积最大（192.9 mm²），较圆形支架增加2%，更利于血栓形成；而在载瘤动脉段，其低WSS面积最小（31.3 mm²），降低支架内再狭窄风险（图13）。

4 讨论

截面几何通过以下机制影响性能：

1. 1.

   柔顺性：十边形截面棱角数接近圆形，减少了编织丝间摩擦阻力

2. 2.

   血流扰动：多边形棱角诱发微涡流，增强瘤颈血流阻滞（图7）

3. 3.

   力学传导：六边形对称结构分散应力，降低峰值压力15%

局限性包括未考虑血管壁弹性（FSI效应）及临床个体差异，未来需结合动物实验验证。

5 结论

四边形和十边形截面支架在柔顺性（弯曲扭矩降低11%）、瘤腔血流抑制（流速降低31%）及WSS调控（低应力区扩大8%）方面展现协同优势，为新一代血流导向装置设计提供了优化方向。