[논문]유한요소 해석을 이용한 스텐트 최적형상 설계

이태현; 양철호

doi:10.5762/kais.2017.18.11.1

초록
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스텐트는 인체의 좁아지거나 막힌 부위에 삽입되어 혈류의 흐름을 정상화 시키는데 사용되는 금속망 형태의 임플란트로 관상 동맥 질환을 치료하는데 가장 일반적인 방법으로 널리 사용된다. 본 논문에서는 유한요소 해석과 다꾸지 방법을 이용하여 설정한 스텐트 설계 인자의 변화에 따른 기계적 반응을 고찰하였다. 스텐트 모델은 팔마즈 스텐트를 사용하였고 스텐트의 재료 모델로서는 탄소성 모델, 풍선은 초탄성 모델을 사용하였다. 연구의주요 관심은 스텐트의 탄성 회복량 조절을 통한 혈관의 재 협착 문제를 감소시킬 수 있는 방안에 대한 설계 인자의 영향을 고찰하는데 있다. 스텐트 두께, 슬롯의 가로 길이, 슬롯의 세로 길이의 각도를 설계인자로 선택하여 직교배열표를 구성하였다. 유한요소 해석을 이용하여 혈관 내 스텐트의 반경 방향 탄성회복율과 길이 방향 탄성회복율을 계산하였고 다구찌 기법을 이용한 통계적 분석을 하여 재 협착의 가능성을 감소시킬 수 있는 스텐트의 최적 형상 설계 방향을 제시하였다. 최적형상은 기본 모델에 비하여 탄성회복율은 반경방향으로 약 1%, 길이방향으로 약 0.1% 감소함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Stents are widely used as the most common method of treating coronary artery disease with implants in the form of a metal mesh. The blood flow is normalized by inserting a stent into the narrowed or clogged areas of the human body. In this study, the mechanical characteristics of a stent are investi...

Stents are widely used as the most common method of treating coronary artery disease with implants in the form of a metal mesh. The blood flow is normalized by inserting a stent into the narrowed or clogged areas of the human body. In this study, the mechanical characteristics of a stent are investigated according to the variations of its design parameters by the Taguchi method and finite element analysis. A stent model of the Palmaz-Schatz type was used for the analysis. In the analysis, an elasto-plastic material model was adopted for the stent and a hyper-elastic model was used for the balloon. The main interest of this study is to investigate the effects of the design parameters which reduce the possibility of restenosis by adjusting the recoil amount. A Taguchi orthogonal array was constructed on the model of the stent. The thickness and length and angle of the slot were selected as the design parameters. The amounts of radial recoil and longitudinal recoil were calculated by finite element analysis. The statistical analysis using the Taguchi method showed that optimizing the shape of the stent could reduce the possibility of restenosis. The optimized shape showed improvements of recoil in the radial and longitudinal directions of ~1% and ~0.1%, respectively, compared to the default model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 다구치 요인분석과 유한요소해석을 적용하여 스텐트의 최적형상조건을 도출하고자 하였다. 스텐트의 기계적 성능에 영향을 미치는 중요인자를 도출하기 위해 다구치 요인분석(Taguchi factor analysis)을 실행하였고 유한요소 모델의 시스템 반응값인 반경방향 탄성 회복율과 길이방향 탄성 회복율을 비교하여 스텐트 최적 형상을 구현하였다[4].

제안 방법

본 연구에서는 다구치 요인분석과 유한요소해석을 적용하여 스텐트의 최적형상조건을 도출하고자 하였다. 스텐트의 기계적 성능에 영향을 미치는 중요인자를 도출하기 위해 다구치 요인분석(Taguchi factor analysis)을 실행하였고 유한요소 모델의 시스템 반응값인 반경방향 탄성 회복율과 길이방향 탄성 회복율을 비교하여 스텐트 최적 형상을 구현하였다[4]. 스텐트 형상은 Creo와 Hypermesh를 사용하여 모델링을 하였고 스텐트해석은 구조해석 프로그램인 ABAQUS와 통계상용프로그램인 MINITAB [5, 6]을 사용하였다.

대상 데이터

연구에 사용된 스텐트는 Palmaz-Schatz 모델을 채택 하였고, 기본 스텐트의 주요제원은 외경이 1.5mm, 내경이 1.36mm, 두께가 0.07mm이다 (Fig. 1). 스텐트의 형상은 대칭구조이므로 해석 모델은 길이방향으로 1/2모델(7.

이론/모형

풍선의 경우는 고밀도 폴리프로필렌(high-density polypropylene)이라 가정하여, 초탄성(hyper-elastic) 재료모델을 적용하였다. 다양한 초탄성 재료모델들 중 Mooney-Rivlin 모델을 적용하였으며, 재료 구성식은 (material constitutive law)은 다음과 같다.
유한요소 해석에 사용된 모델은 스텐트와 풍선으로 구성되어 있으며, 전처리기인 Hypermesh를 사용하여 8 절점 육면체요소를 생성하였다. 스텐트모델은 약 56,000 여개의 절점과 약 31,000여개의 요소가 사용되었고, 풍선모델은 약 24,000여개의 절점과 약 16,000여개의 요소를 사용하였으며, ABAQUS에서 제공하는 8절점 육면체 요소 (C3D8RH)를 사용하였다. 그리고 스텐트와 풍선 사이의 접촉에 대한 모델링은 기하학적 비선형을 고려하여 소규모 미끄러짐 접촉조건(Small sliding contact)을 적용하였다.

성능/효과

(1) 반경/길이방향 탄성회복율에 가장 영향을 많이 끼치는 것은 두께이며 그 다음으로는 슬롯의 가로길이와 슬롯의 세로길이의 각도 순으로 반응값에 영향을 주었다.
(2) 다구찌 기법을 이용하여 확인한 결과 두께가 3수준, 슬롯의 가로길이와 슬롯의 세로길이의 각도가 각각 1수준이 되었을 때 반경/길이방향 탄성회복율이 최적의 상태를 나타내었다.
(3) 다구찌 기법의 결과인 최적 형상 수준을 적용한 스텐트를 해석한 결과 반경방향 탄성회복율은 7.566%, 길이방향 탄성회복율은 0.160%로 기본 모델에 비하여 각각 약 1%와 약 0.1%씩 감소함을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스텐트 삽입 시 발생하는 문제점은?	스텐트는 인체 내 삽입과 반경방향으로 팽창하기 때문에 연성의 금속으로 제조되어 왔다. 그러나 스텐트를 팽창 시킬 때, 스텐트의 표면과 접촉되는 혈관 내벽에 과다한 하중이 가해지게 되면 혈관 벽에 손상을 주어 손상된 생체 부위의 조직이 새로이 성장되면서 넓혀졌던 혈관이 다시 좁아지는 재협착이 발생한다. 재협착의 문제를 해결하기 위하여 세라믹을 포함한 신재료의 사용, 스텐트 표면 특성 개선 등을 통한 방법이 시도 되었으나 근본적으로는 반경방향으로는 용이하게 팽창되지만 과다한 응력이 발생되지 않는 스텐트 형상에 대한 설계가 필요하다[2].
	스텐트란?	스텐트는 인체의 좁아지거나 막힌 부위에 삽입되어 혈류의 흐름을 정상화 시키는데 사용되는 금속망 형태의 임플란트로 관상 동맥 질환을 치료하는데 가장 일반적인 방법으로 널리 사용된다. 본 논문에서는 유한요소 해석과 다꾸지 방법을 이용하여 설정한 스텐트 설계 인자의 변화에 따른 기계적 반응을 고찰하였다.
	스텐트는 작동 방법에 따라 풍선확장식과 자가확장식으로 나뉘는데 사용되는 재질과 그 특징은?	스텐트는 작동 방법에 따라서 풍선확장식(balloon– expandable)과 자가확장식(self-expandable)으로 나눌 수 있으며 설치 장기나 질병에 따라서 선택적으로 사용되고 있다. 사용되는 재질은 풍선확장식의 경우는 대부분 316L스테인리스강을 사용하고 있으며, 자가확장식의 경우 Nitinol(Ni-Ti 합금)을 사용한다. 뛰어난 인장강도를 갖고 있는 316L 스테인리스강은 내식성이 강하고, Nitinol은 일정온도 이상에서 원형으로 돌아오는 형상기억의 성질을 가진 생체재료이다. 본 연구에서 사용한 풍선확장식 스텐트인 Palmaz-Schatz 스텐트는 1985 년 Palmaz에 의해서 스테인리스강으로 만든 작은 튜브형태의 관에 구멍을 낸 상태로 고안되어 사용되었고， Schatz 에 의해서 중심부위에 연결부(bridging strut)를 지닌 유연성을 갖는 형상으로 개선되어 관상동맥 협착증의 시술에 사용되어졌다[3].

참고문헌 (8)

B. K. Oh, H. Y. Cho, "Finite Element Analysis of Stent Expansion Considering Stent-Balloon Interaction", Transactions of KSME, vol. 29, no. 1, pp. 156-162, 2005. DOI: https://doi.org/10.3795/KSME-A.2005.29.1.156

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J. G. Park, T. W. Kang, K. S. Lee, T. W. Kim, "Material Design and Analysis of Coronary Artery Stents", Journal of KCERS, vol. 44, no. 7, pp. 362-367, 2007. DOI: https://doi.org/10.4191/KCERS.2007.44.7.362

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B. K. Oh, H. Y. Cho, Y. Y. Kim, "Finite Element Analysis of Mechanical Properties of a Balloon-Expandable Stent", Transactions of KSME, vol. 28, no. 7, pp. 915-922, 2004.
D. M. Jeon, W. G. Jung, H. K. Kim, S. H. Kim, I. G. Shin, H. S. Jang, T. S. Suh, "Deduction and Verification of Optimal Factors for Stent Structure and Mechanical Reaction Using Finite Element Analysis", Journal of KSMP, vol. 21, no. 2, pp. 201-208, 2010.
ABAQUS Users Manual, Ver.6.4, HKS, 2003.
Minitab Users Manual, R14, Minitab Inc., State College, PA, 2010.
D. Y. Kim, S. Y. Lee, H. Y. Kim, "Numerical Evaluation and Shape Design of Coronary Artery Stent", Journal of KSPE, vol. 29, no. 1, pp. 103-108, 2012. DOI: https://doi.org/10.7736/KSPE.2012.29.1.103

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W. G. Jang, "Optimal Design of the Front Upright of Formula Race Car Using Taguchi's Orthogonal Array", Journal of KSMTE, vol. 22, no. 1, pp. 112-118, 2013. DOI: https://doi.org/10.7735/ksmte.2013.22.1.112

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