北理博士的清华大学虚拟仿真创意设计大赛之旅
导读：博士几年生涯，在忙碌中挣扎，在自我怀疑中成长，在疯狂的边缘试探自己的能力上限，奈何自己不是时间管理大师，无法轻松的完成学习任务，总感觉我的事情怎么就一件接着一件，每天神游在科研、项目、比赛、大组会、小组会、生活、吃喝玩乐中，可我终究还是活过来了。
2021年有幸结识几位小伙伴，参加了清华大学第二届安世亚太虚拟仿真设计大赛，荣获特等奖的同时并不惊讶，队友间的信任，各司其职，付出共同促成了这一结果，在此感谢一下几位小伙伴，赛后游了清华园，吃了清华菜。3月27日16时，笔者将作为2021届清华大学虚拟仿真大赛的选手嘉宾，在2022清华大学虚拟仿真创意设计大赛训练营的第五场培训公开课带来《心血管支架移植手术仿真系统设计》，分享我们团队在清华大学虚拟仿真创意设计大赛的作品。
训练营-5：心血管支架移植手术仿真系统设计-仿真秀直播
言归正传，具体来讲我们这个参赛项目，心血管支架移植手术仿真系统设计，项目最初的一个目的，是希望搭建这样一个模拟平台，供用户自行修改参数进行运用，不过，项目结束后，整个平台还是停留在基础代码上，但是整个力学背景已经搞得很清楚了，有前端开发经验的人可以很快将我们的基础代码包装为一个高大上的虚拟仿真平台了。具体来说，心血管支架手术方法很容易理解，医生先将极细的导管通过血管伸到动脉狭窄的部位；然后，用一个可充盈的胶皮气球将狭窄部位撑开；最后，将动脉支架撑在已被扩张的动脉狭窄处，防止其回缩。退出所有的导管后，动脉支架就留在了已经被扩张的动脉狭窄处。
接下来，简单介绍一下一些比较重要的地方，这样一个心血管支架模拟问题关键也在于三点。
血管阻塞模型简化为两层，一层为动脉壁，一层为硬化的斑块。截面图如图示。其中，动脉壁和硬化的斑块都采用3D实体单元建立。动脉壁单元建立需要注意：(1)采用简化的应变强化的单元技术来表示弹塑性材料的应变强化行为。(KEYOPT(2)=3)，(应变强化为弹塑性力学里面的知识，感兴趣读者可以查阅学习)。(2)采用混合U-P技术来解决与不可压缩生物体组织材料的体积锁定行为。(体积锁定是由于不可压缩材料或者近似不可压缩材料的泊松比接近0.5，根据体积模量公式，当泊松比接近0.5，体积模量接近无穷，体积难以变形，导致体积锁死。）
为了提高计算效率，支架采用圆形截面的梁单元建立，如果采用实体单元，支架的细小结构需要很精细的网格才能比较容易收敛。先画出支架模型的线性模型，利用梁单元进行网格划分，如下图示。
上述模型建立后，需要建立支架和硬化阻塞斑块内壁的接触行为，本文采用线面接触，对支架赋予接触单元CONTA177的特性，对硬化阻塞斑块内壁单元赋予目标单元TARGE170的特性。
动脉的左端面和右端面采用多点约束(MPC)将作用在端面上的位移载荷约束分布到接触节点处，这里位移约束为0。（这里读者可以尝试对比用这种MPC技术对左右端面节点进行约束和直接将左右端面节点自由度固定两种方式的计算结果的不同。多点约束应用非常广泛，读者可以参考资料自行学习）此外，支架的左右端面的节点约束与动脉左右端面的节点约束相同。非线性静态计算,计算过程中接触参数自动优化以更好的收敛。载荷步1模拟动脉血管充压膨胀，以防止支架。此时，支架模型单元(被杀死)不起作用，即利用单元生死技术。充压(载荷步1)后激活支架-硬化阻塞斑块接触单元，添加支架后血管会自动平衡。释压后，血管内只有血压作用，此时硬化阻塞斑块接触单元被支架支撑，即血管被撑开以通流。这里的非线性计算中采用了基于能力损耗的的稳定性算法以提高收敛。六、我的公开课
受清华大学虚拟仿真创意设计大赛组委会的邀请，3月27日16时，笔者将作为大赛的往届选手，在2022清华大学虚拟仿真创意设计大赛训练营的第五场培训公开课带来《心血管支架移植手术仿真系统设计》，分享我们团队在2021清华大学虚拟仿真创意设计大赛的作品。感兴趣的朋友，尤其是报名了大赛的队伍，可以报名一起交流进步。
训练营-5：心血管支架移植手术仿真系统设计-仿真秀直播
[1] Lally, C., Dolan, F, &Pendergrast, P. J. (2005). Cardiovascular stent design and vessel stresses: afinite element analysis. Journal of Biomechanics. 38: 1574-1581.
作者：赵建雷 北京理工大学力学专业在读博士生，仿真秀专栏作者 ，力学与有限元基础扎实，从事结构、振动、超材料设计研究，具有多年的有限元软件使用经验，个人运营有限元仿真领域的《芷行说》。声明：本文首发仿真秀App，部分图片和内容源自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。 获赞 9803粉丝 21185文章 3421课程 216
