随着物质生活水平的提高,生活方式的改变,心血管疾病发病率越来越高,由于心血管狭窄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.在冠心病的介入治疗方法中,支架植入术因其创伤小、效果好,成为当前治疗心血管狭窄的新型方法。 本文以介入微器械——医用血管支架作为特定的研究对象,涉及血管支架的设计、仿真、制造和测试等技术。目前对于血管支架的研究,主要集中在新型药物洗脱支架的设计与制造、支架材料生物相容性以及动物实验等领域,缺乏对支架与球囊、血管耦合的完整扩张变形过程的理论和实验研究。一个完整的支架耦合扩张过程包括支架压握收缩、支架自由扩张和支架与狭窄血管接触后共同扩张三个连续阶段。采用有限元法模拟该耦合扩张变形过程时,由于该过程是一个同时具有几何非线性、材料非线性和接触非线性的高度非线性问题,因此建立适合支架耦合扩张的有限元模型存在较大难度；在体外测试支架扩张性能时,支架本身属于网孔状微小器械,无法采用传统方法进行测量,这就给支架变形尺寸的测量带来很大困难。此外,如何在体外模拟支架植入时体内血流运行真实环境也是需要解决的难题。 为解决上述在支架耦合扩张过程数值仿真和实验测试方面所遇到的难题,本文将支架扩张基础理论研究和支架样件的研制与测试相结合,建立了支架耦合扩张变形有限元模型和体外支架扩张实验平台,深入研究了支架耦合扩张变形机理,并应用神经网络理论和快速设计思想,为血管支架结构优化设计提供了新的研究思路。本文旨在提供一套针对血管支架的数字化设计、仿真和测试的方法和工具,主要研究成果如下： (1)研究了支架耦合扩张过程三维数值分析的弹塑性大变形基本理论和耦合接触处理算法,采用更新拉格朗日描述,基于动力虚功率原理,建立了支架耦合扩张变形的动力显式算法有限元列式和求解步骤。阐述了大变形基本理论,给出了基本控制方程,包括质量守恒、动量方程、能量方程和虚功原理等,建立了支架扩张大变形有限元方程；阐述了支架材料塑性变形理论,针对三维应力屈服函数,推导了与屈服函数对应的大变形弹塑性本构方程；重点阐述了动力显式有限元分析中接触问题处理、应力修正、沙漏控制、时间积分和步长控制等关键技术。 (2)研究了支架耦合扩张过程数值模拟关键技术,提出了适合支架耦合扩张的有限元建模方法,深入全面地研究了支架耦合扩张变形机理。阐述了在支架生命周期中应用有限元技术进行支架设计的研究思路；重点研究了支架压握收缩、自由扩张和与血管接触的耦合扩张全过程有限元模拟中的几何建模、材料模型选取、网格划分、边界条件、载荷定义、接触处理、求解控制方法和计算精度等关键技术；详细分析了有限元计算得到的支架耦合扩张变形各阶段应力应变、外径和长度变化、回弹、金属覆盖率、径向抵抗力和柔韧度等扩张变形结果。 (3)针对支架扩张变形过程的特点,提出了支架体外扩张测试方法,研制了支架扩张性能体外测试装置。提出了针对支架体外扩张测试的机器视觉技术解决方案,详细讨论了构成该机器视觉系统的硬件选型与集成技术、图像处理和数据采集软件的设计以及图像畸变误差补偿方法；重点阐述了在实验测试平台上对加工出的激光雕刻管状冠脉支架样件进行实物扩张实验,结合支架扩张数值模拟分析了实验测试数据,作为对支架扩张数值模拟的补充和合理性的验证,为支架的优化设计及其扩张过程的有限元模拟提供有力的实验支持。 (4)研究了支架扩张变形神经网络智能预测方法,建立了支架变形影响因子与其变形结果之间的具有高度非线性识别能力的神经网络模型。基于支架扩张变形有限元分析,提出应用人工神经网络原理的支架扩张变形预测方法；阐述了建立支架变形神经网络智能预测模型的基本原理及其网络训练算法；并结合实例对网络进行训练,并对预测误差进行了统计假设检验；检验结果表明,训练后的网络能够较好地对支架变形进行合理预测,从而为高效准确地研究支架扩张变形机理提供了新的思路。 (5)研究了针对血管支架产品的快速设计方法,开发了用来辅助用户进行支架选型、计算机辅助设计与分析,以及计算和决策的支架产品快速设计系统。在Pro/E Wildfire环境下,利用其二次开发工具Pro/Toolkit,融合支架变形神经网络智能预测技术,建立了基于支架三维标准库和实例推理技术的支架选型、支架快速参数化设计和支架力学性能评价的支架快速设计集成系统。该系统实用性强、效率高,能大幅缩短支架产品开发周期。