食管支架疲劳寿命的预测及应用综述
摘要：食管支架是治疗食管狭窄的新兴医疗器械，植入食管狭窄部位后起支撑食道和提高食道畅通性的作用。随着服役时间的增长，植入病体的食管支架受几何特征和环境等因素的影响，容易产生疲劳甚至破坏，从而引发严重的并发症。目前对食管支架疲劳性能的研究内容涉及载荷谱、应力应变、疲劳裂纹萌生和扩展、寿命预测及抗疲劳设计方法等方面；研究方法有理论分析、数值模拟和实验测试3种。对测定食管支架疲劳性能的各种分析方法及局限性进行详细地阐述和总结，并对食管支架后期的研究进行展望。
关键词：食管支架；疲劳寿命；理论分析；数值模拟；物理实验
Review of Fatigue life prediction and Application of esophageal stent
Abstract: Esophageal stent is a new medical device for the treatment of esophageal stricture. It can support the esophagus and improve the smoothness of esophagus after being implanted into the stricture. With the increase of service time, the esophageal stent implanted in the patient is prone to fatigue or even damage due to the influence of geometric characteristics and environmental factors, resulting in serious complications. At present, the research on the fatigue performance of esophageal stent involves load spectrum, stress-strain, fatigue crack initiation and propagation, Life prediction and anti fatigue design method, and there are three research methods: theoretical analysis, numerical simulation and experimental test. In this paper, the various analysis methods and limitations of measuring the fatigue performance of esophageal stent are described and summarized in detail, and the future research of esophageal stent is prospected.
Keywords: Esophageal stent; fatigue life; theoretical analysis; numerical simulation; physical experiment
0前言
随着形状记忆合金的开发应用与介入性治疗方法的不断发展与深入，以镍钛合金为材料的食管支架广泛应用于人体食道狭窄的治疗，并具有快速缓解患者症状，创伤小、 操作简便、适用范围广等特点。虽然镍钛合金支架治疗上消化道狭窄和瘘已是一项较成熟的技术[1-4]，但是国内每年约有4万多例副作用与并发症常见报道。由于病人多为晚期恶性肿瘤，存活期短，加之食道蠕动的复杂性，医、工双方对食道支架的研究远不如对血管支架那么重视[5]，对于如食管支架等非血管支架生物疲劳性能的研究相对较少,进展相对缓慢，至今也没有完整的概述。
根据美国材料实验协会(ASTM)的对疲劳的定义[6］，疲劳是在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。本文将食管支架的疲劳性能的研究内容归纳为4方面，分别是蠕动波的表述与简化、支架应力集中细节处的应力应变、支架疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律以及支架寿命预测与抗疲劳设计方法。支架疲劳性能的研究方法分为3大类：理论分析、数值模拟和实验测试，其中实验测试又分为物理实验和体内实验两种。本文主要从理论分析、数值模拟和物理实验3部分出发，详细介绍测定支架疲劳性能的研究内容及实验方法，分析目前存在的不足并展望未来的研究方向，为支架疲劳性能的后续研究做参考。
1理论分析
对于食管支架疲劳性能的理论主要是基于疲劳理论形成的。疲劳是构件受到多次重复载荷加载作用，在应力值没有达到材料的极限甚至未超过弹性极限 却发生了破坏的现象。这种在交变载荷作用下材料或结构的破坏现象就称为疲劳破坏[7]。造成疲劳破坏的载荷可以是力、应力、应变或者位移等。疲劳破坏过程大致经历4个时期，即疲劳成核期、微观裂纹增长期、宏观裂纹扩展期以及最后断裂期[8]。Stankiewicz等[9]基于断裂力学的方法为评估缺陷对此类寿命的定量影响提供了重要手段。倪晓宇等[10]采用牛顿-拉斐逊迭代法完成了食管支架的数值模拟，分析得出支架工作中产生的非对称交变应力是引起支架疲劳断裂的一个主要原因。Gu等[11]对食管支架疲劳机理和食管运动进行数学分析研究。王果[12]采用简化的弹塑性假设和线性Miner 疲劳累积损伤理论计算编织型食管支架的疲劳寿命，研究覆膜对支架疲劳寿命的影响。线性Miner 疲劳累积损伤理论计算公式如下：
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