ontwerp van stents met pyformex - ghent...
TRANSCRIPT
Ontwerp van stents met pyFormex
Pieter Vanderhaeghe
Promotoren: prof. dr. ir. Benedict Verhegghe, prof. dr. ir. Rudy Van Impe Begeleiders: dr. ir. Matthieu De Beule, ir. Peter Mortier Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Burgerlijk bouwkundig ingenieur Vakgroep Mechanische constructie en productie Voorzitter: prof. dr. ir. Joris Degrieck Vakgroep Bouwkundige constructies Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2007-2008
Ontwerp van stents met pyFormex
Pieter Vanderhaeghe
Promotoren: prof. dr. ir. Benedict Verhegghe, prof. dr. ir. Rudy Van Impe Begeleiders: dr. ir. Matthieu De Beule, ir. Peter Mortier Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Burgerlijk bouwkundig ingenieur Vakgroep Mechanische constructie en productie Voorzitter: prof. dr. ir. Joris Degrieck Vakgroep Bouwkundige constructies Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2007-2008
De auteur geeft de toelating deze thesis voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van
de thesis te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen
van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron
uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze thesis.
The author gives the permission to use this thesis for consultation and to copy parts of it for
personal use. Every other use is subject to the copyright laws, more specifically the source
must be extensively specified when using results from this thesis.
Pieter Vanderhaeghe Gent, 2 juni 2008
i
Dankwoord
In de loop van dit jaar hebben een groot aantal personen mij bijgestaan bij het maken van dit werk.
Al deze personen verdienen dan ook mijn dank.
De eerste vermelding gaat naar mijn begeleiders, Peter Mortier en Matthieu De Beule, die mij
gedurende dit jaar bijgestaan hebben en bij wie ik altijd terecht kon met mijn vragen en om samen te
zoeken naar mogelijke oplossingen. Hierbij wens ik Matthieu De Beule speciaal te bedanken. Zijn
aanstekelijke enthousiasme over stents wist mij vorig jaar te overtuigen om dit onderwerp te kiezen,
een keuze waarvan ik geen spijt heb gehad.
Natuurlijk verdienen ook mijn promotoren, Benedict Verhegghe en Rudy Van Impe, hier een
vermelding. Bij Professor Verhegghe kon ik altijd terecht met mijn vragen over pyFormex en Abaqus.
Hij maakte deze thesis bovendien mogelijk door de ontwikkeling van pyFormex en door de
beschikbaarheid van de BuMPer-cluster. Deze thesis is volledig gebaseerd op deze twee
sleutelelementen. Mijn tweede promotor, professor Rudy Van Impe, was dan wel niet rechtstreeks
betrokken bij mijn scriptie maar in zijn vakken, berekening van constructies en ruimtelijke
constructies, deed ik wel de nodige kennis op die mij in staat stelde dit werk tot een goed einde te
brengen.
Ook wens ik dr. Benny Drieghe te bedanken om mij de mogelijkheid te bieden de plaatsing van een
stent bij te wonen en zo een ruimer beeld te krijgen dan enkel numerieke aspect.
Als laatste wens ik mijn ouders en vriendin te bedanken, niet alleen voor de morele steun maar ook
voor het volledig nalezen van dit werk.
ii
Overzicht
Ontwerp van stents met pyFormex
door
Pieter Vanderhaeghe
Faculteit Ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2007-2008
Scriptie ingediend tot het behalen van de graad van
Burgerlijk bouwkundig ingenieur
Promotoren: prof. dr. ir. Benedict Verhegghe, prof. dr. ir. Rudy Van Impe
Begeleiders: dr. ir. Matthieu De Beule, ir. Peter Mortier
Vakgroep Mechanische constructie en productie
Voorzitter: prof. dr. ir. Joris Degrieck
Vakgroep Bouwkundige constructies
Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe
Samenvatting
In pyFormex werd een virtuele ontwerpomgeving gecreëerd voor het ontwerp en optimalisatie van
nieuwe stents en de vergelijking van bestaande stents. Deze ontwerpomgeving bestaat uit een pre-
en een postprocessor voor de Abaqus-berekeningen. De preprocessor kan aan de hand van een
eenvoudig tekenscript de geometrie importeren, meshen en wegschrijven naar Abaqusinputfiles.
Naast enkele uitvoerfuncties voor geometrieën, zijn er 4 berekeningen in de preprocessor
geïmplementeerd: flexibiliteittest, cilindrische expansie, ballonexpansie en radiale sterktetest. De 4
berekeningen zijn beschikbaar zowel met balk- als volume-elementen.
De postprocessor kan voor deze 4 berekeningen alle relevante resultaten afleiden en verwerken tot
grafieken. Verder bevat de postprocessor ook een functie om meerdere berekeningen te vergelijken
waardoor verschillende stents of opeenvolgende stappen van een optimalisatie met elkaar
vergeleken kunnen worden.
Al deze functies werden getest door 7 bestaande stentontwerpen te beproeven en met elkaar te
vergelijken.
Trefwoorden: stentontwerp, pyFormex, pre- en postprocessor, Abaqus, vergelijkende studie
iii
Stent Design with pyFormex Pieter Vanderhaeghe
Supervisors : Benedict Verhegghe, Rudy Van Impe, Peter Mortier and Matthieu De Beule
Abstract –Stenting is a safe and efficient way of
treating stenoses and aneurysms. Therefore any tool
for developing new and comparing existing
stentdesigns would be valuable. In this thesis a pre-
and postprocessor was developed using pyFormex.
The preprocessor can import a geometry from a
parametric adaptable script, creates a mesh,
determinates the quality of the mesh and writes a
complete Abaqus-inputfile. The postprocessor imports
coordinates and automatically calculates the length,
diameter, foreshortening, dogboning, etc. for the stent
and creates the corresponding plots. The
postprocessor also allows comparison of multiple
calculation. Using this function, seven stentdesigns
were compared.
Keywords – stent design, pre- and postprocessor,
comparative study
I INTRODUCTION
In Western countries heart diseases are one of the
leading causes of death. Mainly due to an unhealthy
lifestyle arteries can get clogged up. To avoid the
complicated surgery involved in making a bypass,
stenting was developed. A stent is a cylindrical
metal structure that during placement opens the
artery and remains in place to keep it open. The
biggest problem with stenting is restenosis, the
renarrowing of the artery inside the stent. Designers
are attempting to minimize this risk by optimizing
the mechanical behavior. A design environment
was developed in pyFormex to allow optimizing
these geometric characteristics by means of finite
element analysis. PyFormex is a tool under
development by Professor B. Verhegghe for
generating, manipulating and operating on large
geometrical models of 3D structures by sequences
of mathematical transformations. PyFormex was
not only used to draw the geometry but also to
create the complete Abaqus input file and to
process the results from Abaqus into data that are
easy to interpret and compare. This design tool
combines many of the already developed simulation
strategies (P. Mortier [1], A. De Pelsmaecker [2]
and M. De Beule [3]) into an automated process in
which the user selects the options by answering
some dialogwindows while the preprocessor creates
the Abaqus inputfile.
II PREPROCESSOR
The preprocessor has two build-in options for
importing a geometry: a script and a formex. The
script option is the standard due to the higher
efficiency. The script creates a centerline in the
XY-plane. The formex option is more widely
useable but less efficient. Once the geometry is
imported the preprocessor sweeps a grid along the
centerline to create a mesh of solid-elements. There
are 2 options available to check the quality of this
mesh.
The main part of the preprocessor however is the
creation of Abaqus-input files. Four different
calculations were implemented.
Fig. 1: Flexibility
Fig. 2: Cylindrical expansion
Fig. 3: Balloon expansion (with a complete balloon)
iv
Fig. 4: Cylindrical expansion with radial strength
testing
Each one can be executed with beam- and
solidelements (B32 and C3D8R). This was done to
offer the option to decrease computational times in
accordance with an article by Hall and Kasper [4].
Unfortunately testing showed that beam elements
were slower than solid elements except when a
cross-section consisting of a large number of
elements was used.
III POSTPROCESSOR
The postprocessor imports the result of the Abaqus-
calculation into pyFormex where stent related
parameters are automatically extracted: length,
diameter, foreshortening, dogboning, etc. These
data are stored in a data file from which plots can
be created.
Fig. 5: Dogboning result for the Cypher
An extra option was built in to compare multiple
calculations. This is required to compare different
stents with each other and to compare consequent
steps in an attempt to optimize a design.
IV COMPARING SEVEN STENT DESIGN
The pre- and postprocessor were tested and their
usefulness was shown by comparing seven existing
stent designs: Cypher, Multi-Link Vision, AMS,
Tenax, Multi-Link Penta, Endeavor and Taxus
Liberté. The geometry was created based on CT-
images.
Fig. 6: Radial strength comparison
The results show that the Cypher and the Taxus
have the highest radial strength. However, this is
directly related to their low flexibility.
Fig. 7: Flexibility comparison
No accurate data about the geometry and the
material used in the AMS were available. However
it becomes clear that creating a bioabsorbable stent
results in weaker performance on most other
characteristics due to inferior material properties.
ACKNOWLEDGEMENTS
The author would like to acknowledge Benedict
Verhegghe, Peter Mortier and Matthieu De Beule
for their assistance in making this thesis.
REFERENCES
[1] P. Mortier, Eindige elementen simulatie van ballon-stent
interactie, 2006
[2] A. De Pelsmaeker, Zoektocht naar een ideale stent via numerieke modellering, 2007
[3] Matthieu De Beule, Finite Element Stent Design, 2008
[4] G. J. Hall en E. P. Kasper, Comparison of Element Technologies for Modeling Stent Expansion, Journal of
Biomechanical Engineering, 128: 751-756, 2006
v
CD-rom
Op deze CD-rom bevinden zich alle scripts die in het kader van deze thesis werden gemaakt of
aangepast. Ook alle resultaten van de postprocessor in het kader van de vergelijkende studie zijn
erop te vinden.
vi
Inhoudstafel
Dankwoord ................................................................................................................................................ i
Overzicht ................................................................................................................................................. ii
Extended Abstract ................................................................................................................................... iii
CD-rom ….. ............................................................................................................................................... v
Inhoudstafel ............................................................................................................................................ vi
Gebruikte afkortingen ............................................................................................................................. ix
Deel 1 Literatuurstudie ............................................................................................................................ 1
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents .......................................................................................... 2
1.1 Inleiding .................................................................................................................................... 2
1.2 Stents ....................................................................................................................................... 4
1.2.1 Plaatsingsprocedure................................................................................................................. 4
1.2.2 Voor- en nadelen van stents .................................................................................................... 6
1.3 Soorten stents .......................................................................................................................... 7
1.3.1 Locatie ...................................................................................................................................... 7
1.3.2 Expansiewijze ........................................................................................................................... 7
1.3.3 Werking .................................................................................................................................... 9
1.4 Ontwerp van een stent .......................................................................................................... 10
1.4.1 Mechanische eisen ................................................................................................................. 10
1.4.1.1 Flexibiliteit .............................................................................................................................. 10
1.4.1.2 Zichtbaarheid ......................................................................................................................... 11
1.4.1.3 Elastische terugvering, radiale stijfheid en sterkte ................................................................ 11
1.4.1.4 Dogboning .............................................................................................................................. 13
1.4.1.5 Foreshortening ....................................................................................................................... 13
1.4.1.6 Contactoppervlak ................................................................................................................... 15
1.4.1.7 Vermoeiing ............................................................................................................................. 15
1.4.1.8 Spanningen ............................................................................................................................ 15
1.4.2 Medische eisen ...................................................................................................................... 15
1.4.2.1 Restenose ............................................................................................................................... 16
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen .............................................................................................. 17
2.1 Bestaande stents .................................................................................................................... 17
2.1.1 Cypher .................................................................................................................................... 17
2.1.2 Cypher-Select Plus.................................................................................................................. 20
2.1.3 Multi-Link Vision .................................................................................................................... 21
2.1.4 Promus ................................................................................................................................... 21
2.1.5 Multi-Link Penta ..................................................................................................................... 22
2.1.6 AMS ........................................................................................................................................ 23
2.1.7 Tenax ...................................................................................................................................... 25
2.1.8 PRO-Kinetic ............................................................................................................................ 26
2.1.9 Endeavor ................................................................................................................................ 27
2.1.10 Taxus Liberté .......................................................................................................................... 29
2.2 Overzicht ................................................................................................................................ 31
2.3 Vergelijkende klinische studies .............................................................................................. 31
vii
2.3.1 Cypher .................................................................................................................................... 33
2.3.2 Promus ................................................................................................................................... 33
2.3.3 AMS ........................................................................................................................................ 33
2.3.4 Tenax ...................................................................................................................................... 34
2.3.5 Multi-Link Penta ..................................................................................................................... 34
2.3.6 Endeavor ................................................................................................................................ 34
2.3.7 Taxus-Liberté .......................................................................................................................... 35
2.3.8 Cypher-Select ......................................................................................................................... 35
2.3.9 Vision ...................................................................................................................................... 35
2.4 De vergelijking ........................................................................................................................ 35
Deel 2 Numerieke studie ....................................................................................................................... 37
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie .................................................................. 38
3.1 Doel van het numerieke deel van deze thesis ....................................................................... 38
3.2 Werkwijze .............................................................................................................................. 38
3.2.1 Onderlinge relaties tussen de scripts ..................................................................................... 38
3.2.2 Versnelde berekeningen ........................................................................................................ 43
3.3 Stentmodellen ........................................................................................................................ 45
3.3.1 Cypher .................................................................................................................................... 45
3.3.2 Multi-Link Vision / Promus ..................................................................................................... 47
3.3.3 AMS ........................................................................................................................................ 48
3.3.4 Multi-Link Penta ..................................................................................................................... 49
3.3.5 Tenax ...................................................................................................................................... 50
3.3.6 Endeavor ................................................................................................................................ 51
3.3.7 Taxus Liberté .......................................................................................................................... 53
Hoofdstuk 4 De preprocessor ............................................................................................................... 54
4.1 Nieuwe en gewijzigde plugins ................................................................................................ 54
4.1.1 Materialen (materials.py) ...................................................................................................... 54
4.1.2 Properties (properties.py) ...................................................................................................... 55
4.1.3 F2abq (f2abq.py) .................................................................................................................... 55
4.1.4 Definities (definities.py) ......................................................................................................... 56
4.1.4.1 Mesh Creëren ......................................................................................................................... 56
4.1.4.2 De controlefuncties ................................................................................................................ 57
4.1.4.3 Geometrie inputfiles .............................................................................................................. 58
4.1.4.4 Ballon ..................................................................................................................................... 58
4.1.4.4.1 Zonder uiteinden.................................................................................................................... 58
4.1.4.4.2 Met uiteinden ........................................................................................................................ 63
4.2 De Preprocessor (stentanalysis.py) ........................................................................................ 71
4.2.1 Geometrie aanmaken ............................................................................................................ 73
4.2.1.1 Import Model ......................................................................................................................... 73
4.2.1.2 Roll Up Beamstent ................................................................................................................. 75
4.2.1.3 Create mesh ........................................................................................................................... 75
4.2.2 De controlefuncties ................................................................................................................ 75
4.2.3 Materials ................................................................................................................................ 75
4.2.4 Algemene functies ................................................................................................................. 76
viii
4.2.5 De uitvoerfuncties .................................................................................................................. 76
4.2.5.1 Balkelementen ....................................................................................................................... 77
4.2.5.2 Volume-elementen ................................................................................................................ 77
4.2.5.3 Ballon ..................................................................................................................................... 77
4.2.5.4 Create Geometry Input Files .................................................................................................. 78
4.2.5.5 Create Cylindrical Expansion .................................................................................................. 78
4.2.5.6 Create Balloon Expansion ...................................................................................................... 78
4.2.5.7 Create Flexibility..................................................................................................................... 79
4.2.5.8 Create Cylindrical Expansion with Radial Strength ................................................................ 79
4.2.5.9 Create Balloon Expansion with Radial Strength ..................................................................... 79
Hoofdstuk 5 De postprocessor .............................................................................................................. 80
5.1 PostStentAnalysis.py .............................................................................................................. 80
5.1.1 Open Postproc Database ....................................................................................................... 81
5.1.2 Play postmain script ............................................................................................................... 81
5.1.3 Translate Abaqus .fil result file .............................................................................................. 82
5.1.4 Show Geometry ..................................................................................................................... 82
5.1.5 Create postprocessing............................................................................................................ 82
5.1.6 Create multiple calculations plots ......................................................................................... 83
5.2 De resultaten .......................................................................................................................... 84
5.2.1 Flexibiliteit .............................................................................................................................. 84
5.2.2 Cilindrische expansie .............................................................................................................. 88
5.2.3 Ballonexpansie ....................................................................................................................... 92
5.2.4 Cilindrische Expansie met radiale sterkte beproeving ........................................................... 98
5.3 Vergelijkende studie ............................................................................................................ 102
5.3.1 Flexibiliteit ............................................................................................................................ 102
5.3.2 Cilindrische Expansie ............................................................................................................ 105
5.3.3 Ballonexpansie ..................................................................................................................... 108
5.3.4 Cilindrische expansie met radiale sterkte beproeving ......................................................... 113
5.4 Vergelijking tussen berekening met balkelementen en met volume-elementen ............... 114
5.5 Extra controles ..................................................................................................................... 126
5.5.1 De invloed van de mesh ....................................................................................................... 126
5.5.2 De invloed van het materiaal ............................................................................................... 127
5.5.3 De invloed van het aantal outputs ....................................................................................... 129
5.5.4 Invloed van het aantal ringen op de flexibiliteit .................................................................. 130
5.5.5 Invloed van het aantal verbindingen op de flexibiliteit ....................................................... 132
5.5.6 Invloed van de rotatieas op de flexibiliteit .......................................................................... 134
Hoofdstuk 6 Conclusie ........................................................................................................................ 136
6.1 Literatuurstudie ................................................................................................................... 136
6.2 Pre- en postprocessor .......................................................................................................... 136
6.3 Vergelijkende studie ............................................................................................................ 137
6.4 Verdere mogelijkheden........................................................................................................ 138
Bibliografie ........................................................................................................................................... 139
ix
Gebruikte afkortingen
AMS: Absorbable Metal Stent
BMS: Bare Metal Stent
CABG: Coronary Artery Bypass Graft
CT: Computed Tomography
CoCr: Cobalt-Chroom
DES: Drug Eluting Stent
DREAMS: DRug Eluting Absorbable Metal Stent
EAS: Equi Angle Skew
De Exterior diameter
Di Interior Diameter
1
Deel 1
Literatuurstudie
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
2
Hoofdstuk 1
Gebruik en werking van stents
1.1 Inleiding
In de westerse maatschappij zijn hart- en vaatziekten één van de voornaamste doodsoorzaken. Ze
vertegenwoordigen ongeveer een derde van alle sterfgevallen. In deze categorie vallen onder andere
aneurismaes, trombosen, ritmestoornissen, hartklepproblemen en stenoses. Binnen deze groep is
atherosclerose (vaatvernauwing) de grootste.
Figuur 1: Stenose[1]
Atherosclerose is de vernauwing van het bloedvat ten gevolge van in het bloed opgeloste vetten die
in de vaatwand migreren. Deze aanhechting wordt een plaque genoemd. Er is een groot gamma aan
mogelijke oorzaken voor atherosclerose.
Er zijn oorzaken die men niet kan beïnvloeden zoals ouderdom en genetische voorgeschiktheid. Er
zijn echter ook enkele factoren die de kans vergroten: roken, hoge bloeddruk, te veel cholesterol en
overgewicht. Verder verhoogt de ziekte diabetes de risicofactor voor het optreden van hart- en
vaatziekten[2][4].
De gevolgen van stenoses worden sterk bepaald door de locatie maar worden veroorzaakt door een
verminderde bloed- en bijgevolg zuurstoftoevoer naar het afwaarts gelegen weefsel. Men spreekt in
het geval van het hart van coronaire insufficiëntie. Dit kan ook aanleiding geven tot een verminderde
nierwerking of in het geval van het hart en de hersenen tot respectievelijk een hartinfarct of een
beroerte.
Een stenose is een progressief verschijnsel dat, eenmaal begonnen, moeilijk kan gestopt worden.
Daarom is het beter door gezonde voeding en voldoende beweging de aandoening in het geheel te
vermijden.
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
3
Omwille van het hoge aantal sterfgevallen door hart- en vaatziekten heeft de medische sector een
breed gamma aan mogelijke behandelingen.
Een eerste werd reeds even aangehaald en bestaat erin de negatieve invloeden die de ziekte
veroorzaken of bevorderen uit de levenstijl van de patiënt te verwijderen. Deze gezondere levensstijl
werkt vooral preventief. Ze is daarom dan ook vooral geschikt voor personen die slechts de eerste
verschijnselen van problemen vertonen zoals een hoge bloeddruk en te veel cholesterol. De patiënt
kan hierbij geholpen worden door bloeddruk- en cholesterolverlagende medicijnen. Ook iedere
andere behandelingswijze zal moeten gecombineerd worden met een gezondere levensstijl, wil men
een langdurig resultaat bereiken en geen nieuwe verschijnselen ontwikkelen.
Een volgende techniek die ontwikkeld werd is de bypass. Deze is ontstaan via een zeer logische
redenering: men leidt het bloed via een alternatieve weg om de stenose heen zodat afwaarts
gelegen weefsels opnieuw voldoende zuurstof krijgen.
Figuur 2: Bypass [3]
Een bypass heeft een groot voordeel. De procedure is totaal onafhankelijk van de vorm en plaats van
de stenose. Zo kunnen verschillende stenoses in een keer overbrugd worden met een enkele bypass.
Dit voordeel heeft echter een grote prijs. De operatie vergt het openen van de borstkas en soms ook
het stilleggen van de hartspier. De werking wordt dan overgenomen door een hartlongmachine. Het
is duidelijk dat dit een zware ingreep is die artsen zoveel mogelijk willen vermijden.
De zoektocht naar een minimaal invasieve oplossing heeft geleid tot de angioplastie procedure en
het stentimplantatie. Beide maken gebruik van een katheter die via de lies of de arm wordt
ingebracht en via het bloedvatenstelsel tot bij de stenose wordt geduwd. Eenmaal ter plaatse wordt
bij angioplastie een ballon opgeblazen die de plaque plat duwt tegen de vaatwand en zo het vat
terug opent voor de bloedstroming. Angioplastie is een veilige en efficiënte manier om het bloedvat
terug te openen. Bij het leeglaten van de ballon reageert het vat elastisch en keert het in grote mate
terug naar zijn oorspronkelijke vorm, wat de efficiëntie van de techniek beperkt. De plaque is dan
gedeeltelijk plat geduwd tegen de vaatwand. Om het resultaat te maximaliseren kan de ballon
meerdere malen opgeblazen worden. Op lange termijn is de kans op het hervernauwen van het
bloedvat, ook restenose genoemd, echter zeer groot. Bij 20 tot 30% van de patiënten is een nieuwe
vernauwing vast te stellen binnen het eerste half jaar [6]. Bij stenting wordt een op de ballon
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
4
aanwezige stent in het lichaam achtergelaten. Deze zal bij het leeglaten van de ballon in veel grotere
mate voorkomen dat het vat elastisch terugveert en zo een veel grotere opening behouden.
1.2 Stents
1.2.1 Plaatsingsprocedure
Stents worden dus gebruikt om de resultaten van angioplastie op korte en lange termijn te
verbeteren. Omwille van het minimaal invasieve karakter van de ingreep moet de plaatsing gebeuren
met behulp van radiologische apparatuur (CT) waarmee de arts de locatie van de vernauwing kan
zien. Zo kan hij de correcte plaatsing van de stent garanderen. De arts ontsmet eerst de huid en
verdooft deze lokaal. Er wordt een sheath (Ned.: introduceer) geplaatst die de toegang vormt tot het
bloedvat. Via deze sheath wordt een geleidingsdraad ingebracht tot voorbij de vernauwing. Dit kan in
het geval van een coronaire plaatsing gebeuren via de liesslagader. In andere gevallen kunnen ook de
slagaders in de arm gebruikt worden.
Figuur 3: Pad van een stent
Hierna wordt een katheter met ballon ingebracht die over de geleidingsdraad wordt geschoven. Via
de katheter kan de arts een contrastvloeistof inspuiten om de vernauwing goed in beeld te brengen.
De stent dient dus een, soms heel kronkelig, traject af te leggen in de bloedbaan van de patiënt.
Hiervoor dient de stent voldoende flexibel, buigbaar, te zijn.
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
5
Figuur 4: Vernauwde nierslagaders[7]
Eenmaal de stent ter plaatse is wordt de ballon opgeblazen. Iedere stent heeft een druk-diameterkromme waaruit de arts de nodige opblaasdruk kan afleiden om de passende diameter te bekomen. In praktijk wordt de benodigde druk echter veelal op basis van de beelden bepaald. Ieder stentontwerp heeft een nominale diameter waarbij de stent optimaal steun verleent aan het bloedvat. Een stent te ver expanderen ten opzichte van de diameter van het vat kan leiden tot onaanvaardbare spanningen in de vaatwand, te weinig expansie kan leiden tot onvoldoende doorstroomopening om het ziektebeeld te verhelpen.
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
6
Figuur 5: De plaatsing van een stent[5]
In deze fase treden er grote plastische vervormingen op in de stent. Het is dus van belang dat de
geometrie deze vervormingen toelaat zonder dat de breukrek van het materiaal overschreden wordt.
Eenmaal de gewenste diameter bereikt is, wordt de ballon leeg gelaten en wordt nogmaals
contrastvloeistof geïnjecteerd om zo de plaatsing te controleren. Daarna worden de katheter en de
geleidingsdraad verwijderd en plaatst men een drukverband op het wondje. De patiënt moet het nog
enkele dagen rusten doen en medicatie nemen: antibiotica en bloedverdunners.
1.2.2 Voor- en nadelen van stents
Het voordeel van een stent is dat de patiënt enkel lokaal verdoofd dient te worden op de plaats waar
de katheter wordt ingebracht. Hierdoor loopt de patiënt veel minder risico en verloopt het herstel
veel sneller. Ten opzichte van de bypass hebben stents echter een nadeel. Zo zal voor iedere stenose
een nieuwe stent nodig zijn terwijl een bypass verschillende opeenvolgende stenoses in één keer kan
overbruggen. Toch is het verschil in risico zo groot dat de artsen er altijd voor zullen kiezen om een
stent te plaatsen als dit mogelijk is.
Het grootste probleem met stents is echter de in-stent-restenose. Dit is de hervernauwing van het
bloedvat in het inwendige van de stent. De kans op in-stent-restenose is echter kleiner dan de kans
op restenose bij een angioplastie, namelijk slechts 10 a 15% [6]. In dit geval zorgt de aanwezige stent
er wel voor dat er slechts beperkte behandelingsmethoden mogelijk zijn. In vele gevallen is dan toch
een bypass nodig of plaatst men een tweede stent in de vorige.
Figuur 6: Restenose [8]
De oorzaak van in-stent-restenose ligt in de beschadiging en verhoogde spanningstoestand van de
vaatwand enerzijds en anderzijds in de gewijzigde stromingssituatie. De ballonuiteinden maken
tijdens het expanderen contact met de vaatwand en beschadigen deze. Ook de stent maakt contact
en kan tijdens het expanderen ook nog langs de vaatwand wrijven. In het ontwerp van de stent zal
men dan ook proberen de parameters die invloed hebben op de beschadiging te optimaliseren.
Hieronder vallen onder andere de foreshortening, de dogboning en strutverdeling. Deze parameters
worden uitgebreid verklaard in paragraaf 1.4.1
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
7
Ook voor dit probleem hebben de producenten echter reeds alternatieven gevonden in de vorm van
drug-eluting-stents en absorbeerbare stents. Deze worden besproken in paragraaf 1.3.3.
1.3 Soorten stents
1.3.1 Locatie
Een eerste vorm van indeling kan gebeuren aan de hand van de locatie waar de stent geplaatst
wordt. In de tekst hierboven werd eigenlijk een specifiek geval besproken, namelijk een
ballonexpandeerbare stent in een kransslagader. Dit is slechts één toepassing van stents. Naast
(krans)slagaders kunnen stents in ieder inwendig kanaal van het lichaam gebruikt worden, zoals
bijvoorbeeld de slokdarm, luchtpijp en urinewegen. Voor iedere locatie is vanzelfsprekend een totaal
verschillend stentontwerp nodig. De locatie bepaalt ook de nodige flexibiliteit. Het af te leggen
traject tot de locatie van de stenose is hierbij doorslaggevend. Ook zal de nodige radiale sterkte sterk
afhankelijk zijn van de locatie. Bloedvaten die dicht tegen het huidoppervlak liggen kunnen
bijvoorbeeld worden blootgesteld aan uitwendige impacten. Een voorbeeld hiervan is de
halsslagader. Deze ligt dicht tegen het huidoppervlak en geniet dus niet de zelfde bescherming als
een coronaire stent in de borstkas. Als de stent door een externe impact zou dichtslaan, zou dit een
plots sterk verminderde bloedvoorziening van de hersenen veroorzaken met zelfs een mogelijk
dodelijke afloop. Daarom zal in dit geval een elastische terugvering van groot belang zijn. In dit geval
zal dan ook vaak geopteerd worden voor een zelfexpanderende stent met vormgeheugen. Deze
gedraagt zich volledig elastisch en keert dus na de belasting terug naar zijn originele vorm en
heropent zo het bloedvat. Kanalen op andere locaties ondergaan dan weer veel beweging waarmee
de stent compatibel moet zijn. Een voorbeeld hiervan is stenting ter hoogte van de knie. Bij het
buigen van de knie wordt het bloedvat samengedrukt en ondergaat hierdoor sterke vervormingen,
waarmee de stent compatibel moet zijn.
1.3.2 Expansiewijze
Een tweede klassering is gebaseerd op de expansiewijze. Men kan twee grote klassen onderscheiden:
de zelfexpanderende en de ballonexpanderende stents. De expansiewijze is een fundamenteel
gegeven in het ontwerp. Het is dus de eerste keuze die moet gemaakt worden bij het ontwerp van
een stent en ze zal in hoofdzaak bepaald worden door de locatie waar men een stent voor wil
ontwerpen.
Zelfexpanderende stents zijn stents die in geëxpandeerde toestand geproduceerd worden en die
daarna in een katheter worden geplaatst. Door de werking van het superelastisch materiaal en het
vormgeheugen zal de stent in het lichaam eenmaal hij de katheter verlaat terug zijn geëxpandeerde
vorm aannemen. Een tweede mogelijkheid is een stentstructuur die werkt elastisch reageert. Een
voorbeeld van dit type stent is de wirestent (Figuur 7). Deze stents hebben door hun opbouw een
elastisch gedrag en zullen dus na belasting terug openen. Dit zorgt ervoor dat dit type stent gebruikt
wordt op locaties waar de stent door externe belasting kan worden dichtgedrukt en zich daarna
terug dient te openen.
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
8
Figuur 7: Zelfexpanderende stent[8]
Het vormgeheugen is een materiaaleigenschap. Er dienen dus heel specifieke materialen gebruikt te
worden. Dit kan onder andere nitinol (nikkel-titaniumlegering) zijn.
Ballonexpanderende stents werken daarentegen met plastische vervormingen. De ballon duwt de
stent open en zorgt voor lokale plastische vervormingen in de stent. Eenmaal de stent volledig
geëxpandeerd is, wordt de ballon leeggelaten en ondergaat de stent een elastische terugvering
(recoil). Deze wordt bij voorkeur zo klein mogelijk gehouden.
Figuur 8: Ballonexpanderende stent: Cypher select
In de meeste ontwerpen zijn dan ook duidelijk opgevouwen circumferentiële ringen te zien die
onderling verbonden zijn door elementen die de nodige flexibiliteit verzekeren (Figuur 8). Er zijn
echter ook ontwerpen waarbij de stent als een geheel werkt voor beide functies en er dus geen
specifieke delen herkenbaar zijn (Figuur 9).
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
9
Figuur 9: De Pro-Kinetic stent
In het numerieke deel van deze thesis beschouwen we enkel ballonexpanderende stents, meer
specifiek de coronaire stent.
1.3.3 Werking
Ten slotte is er nog een derde indeling mogelijk: op basis van de werking. Een eerste generatie stents
die ontwikkeld werd is de bare metal stent (BMS). Het is een stent volledig vervaardigd uit metaal.
De werking is bijgevolg puur mechanisch: het openduwen van het bloedvat. Dit type stent heeft als
grootste nadeel de restenosegraad. De metalen struts veroorzaken een beschadiging van de
vaatwand wat de kans op restenose vergroot door littekenvorming.
Om dit te verhelpen werd een tweede soort stents ontwikkeld: de drug-eluting stents (DES, coated
stents, medicated stents, medicijnstents). Dit zijn bare metal stents die bovenop de metalen struts
een coating van medicijnen bevatten, welke restenose onderdrukken. Het plaatsen van de
medicijnen op de stent zorgt dat ze veel efficiënter werken dan medicijnen die op andere manieren
toegediend worden. De restenosegraad is niet alleen afhankelijk van het medicijn zelf maar ook van
de snelheid van vrijgeven. Om dit vrijgeven te regelen wordt het medicijn in een polymeer coating
aangebracht.
Er zijn voorlopig slechts een beperkt aantal DES op de markt.[9] De eerste DES was de Cypher stent
van Cordis in 2003. Hierdoor heeft de Cypher een groot marktaandeel weten te veroveren. Kort
hierna kwam de Taxus van Boston Scientific in 2004. Later kwam hierbij nog de Endeavor van
Medtronic (2005 in Europa en 2008 in USA). Ondertussen wordt volop gewerkt aan het op de markt
brengen van een tweede generatie DES. Hieronder vallen onder andere de Taxus Liberté, de Cypher
Select en de Promus. Hoewel deze stents bijna allemaal verschillende medicijnen gebruiken is de
werking altijd gebaseerd op het onderdrukken van de afstotingsverschijnselen en de bijhorende
littekenvorming.
De BMS en de DES zijn beide permanente implantaten die voor altijd in het bloedvat aanwezig
blijven. Dit is echter overbodig aangezien het bloedvat na enkele maanden zich reeds volledig heeft
gehermodelleerd aan zijn nieuwe vorm. Het is zelfs nadelig voor eventuele latere interventies.
Hieruit is het idee van de absorbeerbare stent (bvb. de absorbable metal stent of AMS) ontstaan.
Deze stent is gemaakt uit een materiaal (metaal of polymeer) dat na enkele maanden volledig oplost.
Het idee is dat eenmaal het bloedvat zich heeft aangepast aan zijn nieuwe vorm, de stent mag
verdwijnen en daarmee ook de nadelige langetermijneffecten. De vaatwand kan zich terug herstellen
zonder dat de stent spanningen induceert. Verder laat het gebruik van absorbeerbare stents toe dat
bij restenose opnieuw een stent geplaatst wordt in dezelfde sectie. Absorbeerbare stents hebben
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
10
duidelijk veel voordelen maar er zijn ook zeker nog punten die verder onderzoek vragen. Vooral de
snelheid van degradatie blijft een moeilijk punt. Dit is één van de redenen waarom er tot op heden
nog geen absorbeerbare stents op de markt zijn.
Men denkt reeds aan het maken van de combinatie van een AMS en een DES. In eerste fase zou dan
een medicijn vrijgegeven worden en op lange termijn zou de stent zelf degraderen. Dit idee heeft de
toepasselijke naam DRug Eluting Absorbable Metal Stent: DREAMS.
1.4 Ontwerp van een stent
Bij ieder nieuw stentontwerp probeert de ontwerper hetzelfde doel te bereiken: een zo groot
mogelijke doorstroomopening met minimale nadelige effecten op korte en lange termijn. Deze
werking kan bereikt worden door een combinatie van mechanische en biologische eigenschappen.
1.4.1 Mechanische eisen
1.4.1.1 Flexibiliteit
Een eerste eis is de flexibiliteit. Deze is noodzakelijk om de stent op de plaats van de vernauwing te
krijgen door soms sterk kronkelende vaten. Flexibiliteit is daarenboven ook belangrijk na expansie,
want in het ideale geval past de geëxpandeerde stent zich aan aan de lokale kromming van het
bloedvat. Bij de meeste ontwerpen vallen duidelijke zones op die instaan voor de flexibiliteit.
Figuur 10: De flexibiliteit van de cypherstent
Bij de Cypher-stent wordt de flexibiliteit geconcentreerd in specifieke zones tussen de ringen die
radiale sterkte voorzien. De flexibele zone bestaat uit kort op elkaar staande bochten. De
rotatiecapaciteit wordt bekomen door rek en stuik in axiale richting van deze zones.
Men kan er ook voor kiezen om de flexibiliteit te bereiken door lange dunne verbindingsstukken die
door buiging de flexibiliteit van de stent toelaten.
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
11
Figuur 11: De AMS met lange buigbare verbindingsstukken[10]
Een andere aanpak bestaat erin het aantal verbindingen tussen de ringen te verminderen. In
sommige ontwerpen zijn er om deze reden slechts twee verbindingen.
Figuur 12: De Endeavor-stent met slechts 2 verbindingen per ring
Natuurlijk zijn combinaties van meerdere strategieën mogelijk.
1.4.1.2 Zichtbaarheid
De plaatsing van een stent is een minimaal invasieve ingreep. Bijgevolg dient de arts volledig op
beelden te vertrouwen om de correcte plaatsing te bekomen. Het is dus noodzakelijk dat de stent op
deze beelden voldoende zichtbaar is. Tijdens het plaatsen kan men zich behelpen met markers die
zich ter hoogte van beide uiteinden van de stent in de katheter bevinden. Tijdens een follow-up
onderzoek dient de stent echter op zich voldoende zichtbaar te zijn. Deze eigenschap is afhankelijk
van het materiaal en van de dikte van de struts.
1.4.1.3 Elastische terugvering, radiale stijfheid en sterkte
Bij ballonexpandeerbare stents zal op het moment dat de ballon wordt leeggelaten een deel van de
vervorming verloren gaan door elastische terugvering.
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
12
Figuur 13: Spanning-rekdiagram.
Deze elastische terugvering is duidelijk een functie van het materiaal waaruit de stent gemaakt is,
maar ook van de geometrie. Deze zal de verhouding bepalen tussen de elastische vervorming en de
plastische. Zo zal de vervorming bij voorkeur gebeuren in enkel plastische scharnieren terwijl de
verbindingstukken minimale elastische vervormingen ondergaan.
In het bloedvat treedt samen met de elastische terugvering nog een tweede effect op. Tijdens het
expanderen worden de stenose en het vat open geduwd. Dit veroorzaakt trekkrachten in de
vaatwand. Deze tangentiële trekkrachten zorgen na het leeglaten van de ballon voor een radiale druk
op de stent. Hierdoor ondergaat de stent een verdere diametervermindering. De eigenschap om aan
deze vervormingen weerstand te bieden wordt de radiale stijfheid van de stent genoemd.
De eerste parameter die de radiale stijfheid beïnvloedt en die visueel te verklaren is, is de
strutoriëntatie na expansie. Figuur 14 verduidelijkt dit. Indien de ring volledig geëxpandeerd is, wordt
deze op normaalkracht belast door een radiale belasting. De ring zal bijgevolg heel stijf reageren op
deze belasting. In het tweede geval, bij een niet volledig geëxpandeerde ring, zullen naast
normaalkrachten ook buigende momenten optreden in de struts. Hierdoor zullen de vervormingen
veel groter zijn dan in het eerste geval. Dit leidt duidelijk tot de noodzaak de stent aan te passen aan
de benodigde diameter.
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
13
Figuur 14: Invloed van de strutoriëntatie
Bij ballonexpanderende stents bestaat het risico op het volledig dichtklappen (collapse) van de stent.
Dit treedt gelukkig zelden op maar kan zeer grote gevolgen hebben. In het ergste geval kan de
patiënt hierdoor een hartinfarct krijgen. In ieder geval zal de bloedstroming verminderd zijn en door
de hinder van de stentstruts in het bloedvat vergroot de kans op tromboses enorm. Kortom, in geval
van collapse zal een nieuwe operatie noodzakelijk zijn.
1.4.1.4 Dogboning
Dit overgangsverschijnsel veroorzaakt een beschadiging van de vaatwand.
Figuur 15: Dogboning bij stentexpansie[11]
Dogboning is onder andere het gevolg van de overlengte van de ballon. Deze overlengte, die
noodzakelijk is om te voorkomen dat de stent van de ballon schuift, zorgt ervoor dat de eindringen
een extra kracht ondervinden en bijgevolg sneller openen. Hierdoor komen ze sneller in contact met
de vaatwand en kunnen ze deze beschadigen
1.4.1.5 Foreshortening
Zoals reeds vermeld bij de radiale sterkte, bestaan ballonexpandeerbare stents uit opgeplooide
ringen die na expansie voor de radiale sterkte zorgen. Deze heroriëntering zorgt echter voor een
axiale verkorting van de ringen. Hoe deze verkorting invloed heeft op de lengteverandering van de
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
14
gehele stent is echter nog afhankelijk van de verbindingen, meerbepaald van de plaats waar ze
verbonden zijn met de ringen.
Figuur 16: Foreshortening[12]
Deze foreshortening beschadigt door de wrijving de vaatwand en kan dus een invloed op de
restenosegraad hebben. Daarom dient men in het geometrisch ontwerp een poging te doen om de
foreshortening te verminderen.
Duidelijke voorbeelden van stents waarbij rekening werd gehouden met foreshortening zijn de
Cypher en de Cypher-Select stent.
Figuur 17: Cypher-Select
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
15
Figuur 18: Cypher
De aansluiting is van de verbindingsstukken is duidelijk naar binnen gebracht in een poging de
foreshortening en dus wellicht de restenosegraad te verminderen.
1.4.1.6 Contactoppervlak
Om een optimale steun te geven zou een stent slechts kleine openingen tussen de struts mogen
toelaten en in extremum dus zelfs volledig cilindrisch zijn. Deze eisen staan echter haaks op de eisen
voor het minimaliseren van de afstotingsreactie. Deze is namelijk evenredig met het
contactoppervlak. Het is dus onmogelijk om beide te optimaliseren. In de praktijk wordt het beste
resultaat bekomen door ervoor te zorgen dat de struts evenredig verdeeld zijn over de vaatwand.
1.4.1.7 Vermoeiing
Een stent is een metalen structuur die na inplanting net als het bloedvat de wisselende bloeddruk
ondergaat. Dit leidt tot een variabele druk die het bloedvat uitoefent op de stent. Bijgevolg dient
men de vermoeiing van de metalen stent te controleren. Hiervoor is een duidelijk
spanningsonderzoek nodig. Praktisch kan dit enkel bekomen worden met een eindige-
elementenberekening. Een dergelijke berekening is dan ook vereist voor een nieuw stentontwerp op
de markt kan gebracht worden.
1.4.1.8 Spanningen
Door de expansie van de stent ontstaan er spanningen in de vaatwand. Het betreffen
contactspanningen ter hoogte van de struts, omtreksspanningen en axiale spanningen. Deze
spanningen kunnen aanleiding zijn voor beschadiging van de vaatwand en het daarmee
samengaande risico op restenose. Het kan dus soms nadelig zijn de stenose initieel volledig te
openen door de grotere spanningen die zo ontstaan [13].
1.4.2 Medische eisen
Naast de tot nu toe puur mechanische eisen zijn er ook enkele medische eisen. Deze worden hier
besproken maar komen niet meer aan bod in het numerieke deel.
De aanwezigheid van de stent kan meerdere nadelige gevolgen hebben. De bloedstroming kan lokaal
verstoord worden door de aanwezigheid van de stent. De stroming kan hierdoor locaal wervels
Hoofdstuk 1 Gebruik en werking van stents
16
vertonen die samen met hoge wandschuifspanningen kunnen leiden tot beschadiging van
bloedcellen. Het andere uiterste, bijna geen stroming tussen de stentstruts, kan daarentegen
aanleiding geven tot de vorming van bloedklonters. Deze klonters kunnen in kleinere bloedvaten vast
komen te zitten en de bloedstroom volledig afsluiten. Dit is een tijdelijk probleem. Na enkele
maanden zijn de stentstruts overgroeid. Tijdens de beginperiode is het dan ook noodzakelijk dat de
patiënt bloedverdunnende medicatie neemt. Daarnaast mag de stent uiteraard geen grote
afstotingsreacties veroorzaken in het bloed en in de vaatwand. Dit geheel van biologische eisen
wordt kortweg biocompatibiliteit genoemd.
1.4.2.1 Restenose
Zoals reeds bij enkele eisen aangehaald, wordt de restenosegraad bepaald door een groot aantal
factoren waarvan de individuele invloed moeilijk vast te stellen is. Daarom kan de restenosegraad
enkel in klinische studies bepaald worden. In hoofdstuk twee worden enkele stents aan de hand van
gepubliceerde klinische studies met elkaar vergeleken.
17
Hoofdstuk 2
Bestaande stentontwerpen
In dit hoofdstuk worden enkele veel gebruikte stents van naderbij bekeken. Hierbij gaat de aandacht
ook naar een reeks nieuwe stents waarvan enkele zelfs nog niet op de markt zijn maar waarvan in
kader van deze thesis enkele exemplaren bestudeerd en de ingescande beelden bewerkt konden
worden. Van de meeste van deze stents is er ook een model gemaakt in pyFormex dat kan gebruikt
worden in numerieke simulaties. PyFormex is een programma ontwikkeld door Prof. dr. ir. B .
Verhegghe voor het genereren en bewerken van driedimensionale model door middel van
wiskundige transformaties.
Aan het einde van dit hoofdstuk wordt geprobeerd om aan de hand van klinische studies reeds een
beoordeling te geven van deze stents.
2.1 Bestaande stents
2.1.1 Cypher
De Cypher, van Cordis Corporation, is een van de meest gebruikte stents wereldwijd. Er gebeurden
reeds meer dan 3 miljoen implantaties. Deze positie heeft hij grotendeels te danken aan het feit dat
hij de eerste DES-stent was die op de markt kwam en zo is hij ingeburgerd geraakt bij de artsen. Zij
zien nu geen reden meer om deze bewezen stent niet te blijven gebruiken gebruiken ondanks enkele
mechanische beperkingen van het design (lage flexibiliteit, dikke struts,…). De combinatie van eerste
DES en het grote aantal plaatsingen heeft er ook voor gezorgd dat een zeer groot aantal studies is
uitgevoerd naar de Cypher. Deze maken de vergelijking met bare metal stents en ook met andere
DES.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
18
Figuur 19: Plaatsing van een Cypher stent[14]
De geometrie van de Cypher stent is gebaseerd aan deze van de Bx Velocity stent, zijn bare metal
voorganger (de coating zorgt voor een extra strutdikte van ongeveer 10 micrometer). In de
geometrie zijn duidelijk de verschillende elementen te zien die instaan voor de radiale sterkte en de
flexibiliteit. Het is een gesloten-celontwerp bestaande uit roestvast stalen struts (316L stainless
steel). Dit gesloten stentontwerp moet ervoor zorgen dat er een uniforme steun is voor het bloedvat
en ook een uniforme verdeling van het actieve medicijn.
De Cypher is beschikbaar in diameters van 2.5 tot 3.5 mm en in lengtes van 8 mm tot 33 mm. De
nominale expandeerdruk is respectievelijk 10 atm en de Rated Brust Pressure (RBP) 16 atm.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
19
Druk[atm] Diameter[mm]
4 2,59
5 2,67
6 2,74
7 2,81
8 2,88
9 2,94
10 (NP) 3,00
11 3,05
12 3,10
13 3,15
14 3,19
15 3,23
16 (RBP) 3,27
17 3,30
18 3,33
19 3,35
20 3,37
Tabel 1: Druk-diameterwaarden voor de Cypher
Het actieve medicijn is Sirolimus en is aangebracht in een polymeercoating. Deze coating controleert
de snelheid van het vrijgeven. Voor de Cypher is deze dosering weergegeven in onderstaande
grafiek. Na 3 maanden is de release volledig gebeurd. Deze periode is de tijd die nodig is voor het
bloedvat om zich te hermodelleren naar de stent.
Figuur 20: Drug Release(%) in functie van de tijd(dagen)
Sirolimus is een medicijn dat ook bekend is onder de merknaam Rapamune en dat gebruikt wordt om
afstotingsverschijnselen te onderdrukken. Bij de Cypherstent heeft Sirolimus meerdere werkingen:
Verminderen van de neointimale hyperplasie;
Verminderen van de afstotingsverschijnselen;
De groei van gladde spiercellen verminderen.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
20
Deze effecten, die veroorzaakt worden door de beschadiging van de vaatwand, zijn de grootste
aanleiding voor restenose. Deze werking reduceert dus duidelijk de kans op restenose. Op de site van
de producent wordt dan ook reclame gemaakt met de volgende grafiek waarin de Cypher vergeleken
wordt met de Bx Velocity, die een stent is met een nagenoeg gelijke geometrie maar zonder coating.
Figuur 21: Vergelijkende studie tussen Cypher en Bx Velocity
2.1.2 Cypher-Select Plus
Zoals de naam reeds doet vermoeden is deze stent een opvolger van de reeds besproken Cypher
stent. Het ontwerp is enkel geometrisch gewijzigd ten opzichte van de originele Cypher. Het betreft
nog altijd een stent uit staal waarin de ringen en de flexibiliteitszones duidelijk te zien zijn. Ook het
een gesloten-cel ontwerp is behouden om een betere radiale steun te geven en een uniforme
dosering van de Sirolimus.
Figuur 22: De Cypher-Select
De verbindingen zijn nu centraler op de radiale ringen vastgemaakt. De ringen hebben hiervoor een
gewijzigde vorm gekregen. Dit is duidelijk een poging om de foreshortening te reduceren en bij
uitbreiding de restenosegraad.
Verder valt ook op dat de verbindingen dunner zijn. Dit gecombineerd met de extra lengte, om
centraal aan te sluiten, zou in belangrijke mate kunnen bijdragen tot een verbetering van de
flexibiliteit.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
21
Als coating heeft Cordis geopteerd voor het behouden van de reeds beproefde coating van de
originele Cypher stent.
2.1.3 Multi-Link Vision
De Multi-Link Vision stent is een Bare Metal Stent van Abbott. Hij is gemaakt uit een Cobalt-
Chroomlegering. Deze legering is sterker en stralingsondoorlatender dan staal. Hierdoor worden
dunnere struts (80 µm) mogelijk zonder radiale sterkte of zichtbaarheid te verliezen. Verder heeft dit
als resultaat dat de niet-geëxpandeerde stent een kleine diameter heeft en dus beter in de stenose
gepositioneerd kan worden. In tegenstelling tot de Cypher betreft het hier een open-cel ontwerp. Dit
houdt in dat niet iedere bocht van de ring een verbinding heeft. Het resultaat is dan ook een
flexibelere stent.
De Vision is beschikbaar in diameters van 2.75 tot 4 mm en in lengtes van 8 mm tot 28 mm en heeft
een nominale expansiedruk van 9 atm en een RBP van 16 atm[15]. Kleinere diameters (2mm tot
2.5 mm) zijn beschikbaar in de vorm van de Multi-Link Mini Vision.
2.1.4 Promus
De Promus stent is een Everolimus-coated versie van de Multilink Vision. De stent is een ontwerp van
Abbott genaamd XIENCE V en wordt door Boston Scientific verdeeld onder de naam Promus. Boston
Scientific had namelijk al de Taxus en breidt hiermee dus zijn DES-gamma uit[16].
Figuur 23: De Promus
Zoals reeds vermeld is de Promus een gecoate versie van de Vision. Een bespreking van de geometrie
is dus overbodig, ze verschillen namelijk enkel door de dikte van de coating.
De druk-diameterwaarden zijn in onderstaande tabel weergegeven.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
22
Druk[atm] Diameter[mm]
8 2,93
9 (NP) 3,01
10 3,08
11 3,14
12 3,19
13 3,24
14 3,28
15 3,31
16 (RBP) 3,35
17 3,38
18 3,42
Het actieve element in de coating betreft een Everolimus. Everolimus (merknaam Certican) is een
afgeleide van Sirolimus en werkt bijgevolg op een gelijkaardige manier. Het voorkomt restenose door
de afstotingsreactie van de vaatwand te onderdrukken.
2.1.5 Multi-Link Penta
De Multi-Link Penta is net als de Vision een product van Abbott. Het betreft een bare metal stent
316L roestvast stalen stent. De Penta is de 5de stent in een reeks. Er is echter reeds een opvolger: de
Multi-Link Zeta. De Zeta bestaat uit een zelfde stent. Het verschil zit in het gebruik van een andere
ballon.
Figuur 24: De geëxpandeerde Multi-Link Penta[4]
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
23
Het is opnieuw een open-cel ontwerp met 3 verbindingen per ring. In deze stent bevinden de
flexibiliteitszones zich tussen de opgevouwen radiale ringen.
Figuur 25: De Multi-Link Penta
De uiteinden wijken nogal sterk af van het centrale deel van de stent. Deze eindringen vertonen
grote gelijkenissen met de ringen van de Vision stent. Beide zijn dan ook van dezelfde producent.
De Penta is beschikbaar in diameters van 2.75 tot 4 mm en in lengtes van 8 mm tot 38 mm en heeft
een nominale expansiedruk van 8 atm en een RBP van 16 atm[17].
2.1.6 AMS
De AMS (Absorbable Metal Stent) is zoals de naam reeds duidelijk maakt een stent die niet
permanent ter plaatse blijft zitten maar na verloop van tijd oplost in het bloed. Het is een product
van Biotronik. Deze werking volgt uit het feit dat een stent slechts een beperkte tijd noodzakelijk is
om het bloedvat open te houden. Daarna heeft het bloedvat zichzelf opnieuw gemodelleerd naar zijn
nieuwe vorm en behoudt het deze ook zonder de aanwezigheid van de stent. Als hierbij ook nog
rekening gehouden wordt met de problemen die een aanwezige stent creëert bij herbehandeling is al
snel duidelijk dat de idee van een AMS-stent potentieel heeft. De AMS biedt ook de mogelijkheid om
bij kinderen een stent te plaatsen. Door de absorptie worden alle nadelige effecten op lange termijn,
zoals het feit dat de patiënt bloedverdunnende medicatie moet nemen, vermeden.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
24
Figuur 26: De AMS-stent[10]
De AMS-stent is gemaakt uit een magnesiumlegering. Deze legering is volledig biologisch compatibel
en wordt binnen 2 à 3 maanden volledig geabsorbeerd. De keuze voor magnesium werd verder
gestimuleerd doordat magnesium een mineraal is dat het lichaam nodig heeft. Het lichaam heeft
ongeveer 350mg/dag nodig. Bijgevolg zal de kleine extra hoeveelheid van de stent van 4.5 mg in de
bloedsomloop geen probleem zijn[18].
Figuur 27: Verloop van de absorptie van de AMS [19]
De magnesiumlegering heeft iets zwakkere eigenschappen dan staal maar heeft vooral een beperkte
breukrek. Bij het ontwerp zal het dus noodzakelijk zijn om de rekken te beperken. Dit is de verklaring
voor de relatief grote bochten. Deze spreiden de plastische vervorming uit. Bij het stentontwerp
dient er een compromis gemaakt te worden. Door gebruik van het absorbeerbare materiaal zal deze
stent slechter scoren op meerdere van de geometrische karakteristieken.
Biotronik vat de voordelen van een AMS samen in deze figuur.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
25
Figuur 28: De voordelen van een AMS-stent[19]
2.1.7 Tenax
De Tenax is ook een stent uit 316L roestvast staal die ontwikkeld werd door Biotronik. De geometrie
is op een andere manier opgebouwd. De ring is niet een enkelvoudige kromme maar bestaat uit
kleinere mazen die opengeduwd worden. De ringen zijn slechts met 2 verbindingen onderling
verbonden. De flexibiliteit wordt dus gegarandeerd door het aantal verbindingen te beperken tot het
absolute minimum.
Figuur 29: De Tenax-stent[19]
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
26
Figuur 30: De geëxpandeerde Tenax
De Tenax stent heeft een passieve coating. Dit is een tussenversie tussen een BMS en een DES. De
coating bestaat uit een materiaal dat een betere biocompatibiliteit heeft dan het originele staal. Er is
echter geen vorm van vrijgave van medicijnen.
Er worden verschillende materialen gebruikt voor passieve coating. Enkele voorbeelden zijn goud,
heparin, koolstof, TiNOX, …
De Tenax heeft een waterstofhoudende siliciumcarbide coating. Klinische studies hebben
aangetoond dat deze coating veilig is en efficiënt in het verminderen van een aantal nadelige
effecten op lange termijn.
2.1.8 PRO-Kinetic
De PRO-Kinetic is net als de Vision een stent gemaakt uit Colbalt-Chroom. Het is opnieuw een
ontwerp van Biotronik. Deze stent heeft een vernieuwend ontwerp voor ballonexpandeerbare
stents. De meerdere radiale ringen zijn vervangen door een dubbele helixstructuur. Er is dus geen
duidelijk verschil meer tussen de elementen die de radiale stijfheid voorzien en deze die voor de
flexibiliteit instaan.
Figuur 31: De Pro-Kinetic
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
27
Deze structuur vereist een speciale oplossing voor de uiteinden van de stent. Hier sluiten beide
helicoïdale ringen aan op een volledige en een halve ring.
Figuur 32: Het uiteinde van de PRO-Kinetic
De bestudeerde geometrie was deze van een diameter van 3 mm en een lengte van 18 mm. De
nominale expansiedruk is 10 atm en de RBP is 16 atm. Deze waarden worden in onderstaande tabel
weergegeven.
Druk[atm] Diameter[mm]
10 (NP 3,00
11 3,05
12 3,10
13 3,14
14 3,17
15 3,21
16 (RBP) 3,24
Tabel 2: Druk-diameterwaarden voor de PRO-Kinectic
Ook deze stent heeft een passieve coating. Deze keer betreft het een koolstofcoating. Deze heeft als
functie een betere biocompatibele overgang te maken van het stentmateriaal naar het bloed en de
vaatwand.
2.1.9 Endeavor
De Endeavor is een nieuw ontwerp van Medtronic. Hij is reeds een tijdje op de markt in Europa maar
kreeg pas in februari 2008 een goedkeuring van de FDA. De oorzaak hiervoor was het algemeen
probleem bij DES-stents van de verhoogde kans op tromboses. Het betreft een drug-eluting stent
gemaakt uit Cobalt-chroom. De geometrie is op het eerste zicht relatief eenvoudig: duidelijk
zichtbare opgevouwen ringen. Toch vallen twee grote verschillen op met alle eerder besproken
geometrieën.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
28
Figuur 33: De Endeavor stent
Als eerste vallen de verbindingen op. Deze bestaan niet uit lange flexibele stukken maar uit een
kleine gelaste verbinding. Om toch voldoende flexibiliteit te verkrijgen wordt het aantal verbindingen
in omtreksrichting beperkt tot 2, met uitzondering van de uiteinden waar 3 verbindingen aanwezig
zijn. De producent beroept zich op deze flexibiliteit gecombineerd met de kleine diameter in niet-
geëxpandeerde toestand om uitstekende plaatsingsmogelijkheden te promoten. Deze extra
verbindingen van de eindringen zullen voor extra stijfheid zorgen en dus mogelijk leiden tot een
vermindering van de dogboning.
Figuur 34: De verbinding bij de Endeavor stent
Een tweede opvallend verschil is de doorsnede van de struts. De Endeavor heeft namelijk ronde
struts (diameter 90 µm) in tegenstelling tot alle andere stents die in dit hoofdstuk besproken
worden. Deze keuze werd gemaakt om grote spanningsconcentraties te vermijden in de vaatwand
ter hoogte van de hoeken van de struts. Deze strutsectie zal wellicht ook een beperktere impact
hebben op de bloedstroming.
De bestudeerde stent had een diameter van 3 mm, een lengte van 12 mm en deze bijhorende druk-
diameterwaarden.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
29
Druk[atm] Diameter[mm]
6 2.84
7 2.89
8 2.95
9 (NP) 3
10 3.02
11 3.05
12 3.08
13 3.12
14 3.15
15 3.19
16 (RBP) 3.22
17 3.25
18 3.29
Tabel 3: Druk-diameterwaarden voor de Endeavor
Zoals reeds vermeld is de Endeavor een DES. Het actieve medicijn is Zotarolimus, een afgeleide van
Sirolimus. Zotarolimus is specifiek ontwikkeld voor het gebruik bij stents. Ook hier bestaat de werking
dus uit het onderdrukken van de afstotingsreactie en de hiermee samengaande ontwikkeling van
littekenweefsel. De Zotarolimus bevindt zich in een polymeer dat ervoor zorgt dat het medicijn
gedurende de eerste maand wordt vrijgegeven en dus in deze kritieke periode het bloedvat laat
herstellen zonder grote afstotingsverschijnselen. Het daarna achterblijvende polymeer,
phosphorylcholine, is zo ontworpen dat het de kenmerken van een rode bloedcel benadert en dus zo
voor de biocompatibiliteit op lange termijn instaat[20].
2.1.10 Taxus Liberté
De laatste stent die in dit hoofdstuk wordt besproken is de Taxus Liberté van Boston scientific. Deze
stent is een roestvast stalen drug-eluting stent. De geometrie bestaat uit een zeer dichte pakking van
struts.
Figuur 35: De Taxus Liberté stent
Onderstaande figuur geeft een duidelijker beeld van de geometrie.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
30
Figuur 36: Een schets van de Liberté stent[21]
Op de schets is te zien dat de struts voornamelijk in langse richting georiënteerd zijn en de korte,
brede verbindingen de struts in omtreksrichting verbinden.
De Liberté is voorhanden in diameters van 2.75 mm tot 5 mm en in lengte tot 32 mm. De foto’s zijn
genomen van een stent met diameter 3 mm en een lengte van 32 mm. Hiervoor geldt volgende druk-
diametertabel.
Druk[atm] Diameter[mm]
8 (NP) 2.97
9 3.02
10 3.08
11 3.14
12 3.19
13 3.23
14 3.27
15 3.31
16 3.34
17 3.37
18 (RBP) 3.39
Tabel 4: Druk-diameterwaarden voor de Taxus Liberté
De coating van de Liberté bevat het actieve element Paclitaxel. Dit medicijn, dat in hoofdzaak
gebruikt wordt bij kankerbestrijding, voorkomt dat de cellen zichzelf kunnen delen en voorkomt op
deze manier dat er een overvloed aan littekenweefsel ontstaat.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
31
2.2 Overzicht
Een overzicht van de besproken stents aan de hand van 2 tabellen:
BMS DES Absorbeerbaar
Multi-Link Vision Cypher AMS
Tenax Cypher-Select
Multi-Link Penta Promus
PRO-Kinetic Endeavor
Taxus Liberté
Tabel 5: Overzicht volgens werking
Staal (316L) CoCr Mg WE 43
Cypher Multi-Link Vision AMS
Cypher-Select PRO-Kinetic
Tenax Promus
Multi-Link Penta Endeavor
Taxus Liberté
Tabel 6: Overzicht volgens legering
2.3 Vergelijkende klinische studies
Gegevens met betrekking tot geometrische karakteristieken zijn zo goed als onvindbaar. Bijna alle
producenten bevelen echter hun stent aan als een zeer flexibel ontwerp dat ideaal is om moeilijk
bereikbare locatie te behandelen en optimale steun verleent aan het vat. Een objectieve vergelijking
kan dus zeker geen kwaad. Dit is dan ook het doel van het numerieke deel van deze thesis.
Er worden een groot aantal studies besteed aan stents, onder andere met het oog op het verkrijgen
van een CE (Conformité Européne) of een FDA (Food and Drug Administration) erkenning. Dit zijn
echter allemaal klinische studies die bij patiënten na inplanting enkele parameters controleren. Dit is
dan ook het doel van het ontwerp van stent: de patiënt doeltreffend behandelen. Het is dan ook
logisch dat voor de goedkeuring van een ontwerp naar deze parameters wordt gekeken.
Deze paragraaf zal dan ook proberen reeds een vergelijking uit te voeren tussen de bestudeerde
stents aan de hand van deze gepubliceerde studies.
Er zijn een groot aantal studies die hun resultaten op veel verschillende parameters afwegen. Een
eerste klasse zijn de niet-klinische parameters. Hieronder vallen onder andere de restenosegraad en
de Late Lumen Loss (LLL). Bij iedere stenting treedt er in min of meerdere mate restenose op. Per
patiënt kan men bepalen hoeveel procent van de doorsnede opnieuw gestenoseerd is. De LLL is de
aangroei van het endotheel. Deze parameter geeft dus rechtstreeks een maat voor de restenose. Een
te kleine LLL kan ook nadelig zijn. De stentstruts zijn dan onvoldoende bedekt wat de kans op
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
32
tromboses kan verhogen. De resultaten van niet-klinische parameters zijn zeer patiëntafhankelijk en
worden daardoor gepubliceerd met een gemiddelde waarde en een standaardafwijking.
Daarnaast bestaan er ook nog klinische parameters. In de literatuur worden de volgende klinische
parameters ingevoerd.
Target Vessel Revasculisation (TVR)
Dit is het percentage van patiënten die een tweede ingreep (stenting of bypass) moet ondergaan
omdat opnieuw te weinig bloed het afwaarts gelegen weefsel bereikt. Aangezien deze parameter op
het volledige vat slaat, vallen ook andere stenoses in hetzelfde vat hieronder. Op deze manier kan
stenting vergeleken worden met een bypass, die het volledige vat in 1 maal behandelt.
Target Lesion Revasculisation (TLR)
Deze parameter bevat, in tegenstelling tot de vorige, enkel de behandelde stenose. Bijgevolg zal deze
waarde altijd lager liggen dan de TVR.
Target Vessel Failure (TVF)
Deze parameter staat voor alle gevallen waarin de plaatsing van de stent niet geholpen heeft. Ze
bevat de volgende deelgroepen: sterfgevallen (ten gevolge van hartproblemen), hartaanvallen en
TVR(zie hieronder). Het is duidelijk dat deze parameter een globaal beeld geeft van de
doeltreffendheid van de stent.
Major Adverse Cardiac Event (MACE)
Deze parameter kan verschillen van studie tot studie. Ze bevat altijd de volgende deelgroepen:
sterfgevallen (ten gevolge van hartproblemen) en hartaanvallen. In sommige studies wordt hierbij
ook TVR(zie hierboven) opgeteld. In dat geval is deze parameter gelijk aan de TVF.
Trombose
Dit is het percentage van de patiënten dat na plaatsing van de stent tromboses (bloedklonters) krijgt.
Het is duidelijk dat deze parameters heel eenvoudig vast te stellen zijn zonder bijkomende
onderzoeken. Deze klinische parameters hebben echter een nadeel. Om een statistisch relevant
resultaat te bekomen dient de groep testpersonen een stuk groter te zijn. In veel studies bekomt
men dan ook resultaten die onvoldoende onderbouwd zijn. De statistische significantie wordt dan
ook telkens meegegeven om aan te tonen hoe zwaar de resultaten doorwegen[22]. Deze waarde kan
het resultaat van een chi-kwadraattest [23].
Naast deze statische significantie dient ook telkens de samenstelling van de groep patiënten te
worden meegegeven. Deze samenstelling kan de studie sterk beïnvloeden en zo betere of slechtere
resultaten opleveren. Soms worden de resultaten ook voor aparte subgroepen berekend, vooral in
het geval van diabetespatiënten.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
33
2.3.1 Cypher
Doordat de Cypher de eerste DES was zijn er een groot aantal studies uitgevoerd naar zijn
doeltreffendheid. In deze studies wordt hij vergeleken met de Bx Velocity, zijn ongecoate voorloper
met dezelfde geometrie en later ook met de Taxus, de tweede DES die op de markt kwam.
Stent Mace [%] TVR [%] TLR [%] TVF [%] Trombose[%] Duur
opvolging Bron
Velocity 26,5 2,8
1 jaar [24] Cypher 10,2 0,8
CABG 11,6
Velocity 33,5 24,2 34,7 5 jaar [25]
Cypher 20,3 9,4 22,5
Cypher 9,3 2,5 1,5 jaar [26] Taxus
express 11,2 2,9
Cypher 3,2 2,4 6 maanden [27] Taxus
express 7,6 7,2
Tabel 7: Klinische resultaten van de Cypher
2.3.2 Promus
In het kader van het bekomen van een FDA-goedkeuring zijn voor de Promus de Spirit studies
uitgevoerd. In deze testen werd de Promus vergeleken met de Taxus Express, de DES van Boston
Scientific die reeds op de markt is.
Stent Mace [%] TVR [%] TLR [%] TVF [%] Trombose[%] Duur
opvolging Bron
Promus 8,3 0,3 1 jaar [28] Taxus
express 10,8 0,6
Promus 2,7 0,5 1 jaar [29] Taxus
express 9,2 0,6
Promus 7,2 0,5 9 maanden [30] Taxus
express 9 0,6
Promus 5,8 7,5 5,6 1,1 1 jaar [30] Taxus
express 9,9 6,1 3,3 0,6
Tabel 8: Klinische resultaten van de Promus
2.3.3 AMS
De AMS is een absorbeerbare stent. Het is dan ook te verwachten dat de resultaten op lange termijn
minder goed zullen zijn dan bij andere ontwerpen. De zeer hoge graad van herbehandeling valt
onmiddellijk op. De hoge waarde van MACE wordt uitsluitend veroorzaakt door de hoge graad van
TLR. Vandaar ook de huidige inspanning om de AMS te combineren met de afgifte van medicijn.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
34
Stent Mace [%] TVR [%] TLR [%] TVF [%] Trombose[%] Duur
opvolging Bron
AMS 23.8 38 4 maanden [18]
Tabel 9: Klinische resultaten van de AMS
2.3.4 Tenax
De Tenax heeft een passieve siliciumcarbidecoating. Het is dan ook te verwachten dat de resultaten
gelegen zullen zijn tussen deze van de DES en de BMS in. In onderzoeken wordt deze stent
vergeleken met de ongecoate stalen Nir stent.
Stent Mace [%] TVR [%] TLR [%] TVF [%] Trombose[%] Duur
opvolging Bron
Tenax 15,8 7,1 0,8 1 jaar [31]
Tenax 12 ± 81 weken [32]
Nir 14,3
Tenax 2 0,8 4,7 maanden [33]
Nir 1,6
Tenax 5 3 6 maanden [34]
Tabel 10: Klinische resultaten van de Tenax
In tegenstelling tot de verwachtingen scoort de Tenax niet merkelijk beter dan de Nir. Hierbij dient er
wel opgemerkt te worden dat alle studies een te kleine testgroep hadden om statistisch significant te
zijn.
2.3.5 Multi-Link Penta
De Penta is een BMS en dat blijkt ook uit de resultaten.
Stent Mace [%] TVR [%] TLR [%] TVF [%] Trombose[%] Duur
opvolging Bron
Penta 24,4 18,6 9 maanden [35]
Penta 14.5 9 maanden [36]
Tabel 11: Klinische resultaten van de Penta
2.3.6 Endeavor
De Endeavor stent is een van de nieuwste drug-eluting stents. Door de ontwikkeling van het concept
zijn er dan ook betere resultaten te verwachten van deze moderne stent. De Driver-stent is een
ongecoate versie van de Endeavor.
Stent Mace [%] TVR [%] TLR [%] TVF [%] Trombose[%] Duur
opvolging Bron
Endeavor 7,2 1,0 3 jaar
[37] Endeavor 4,2 6,8
9 maanden Taxus Express
2,7 7,4
Endeavor 9,3 7 0 2 jaar [38]
Cypher 11,6 4,5
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
35
Endeavor 8,6 6,9 8,6 0,9 6 maanden [39] Taxus
Express 9,4 6,8 10,8 0,4
Endeavor 2 1 1 jaar [40]
Endeavor 4,6 8,1 0 9 maanden [41]
Driver 12,1 15,4
Tabel 12: Klinische resultaten van de Endeavor
2.3.7 Taxus-Liberté
In deze studie werd de nieuwe Taxus Liberté vergeleken met zijn voorganger, de Taxus Express.
Stent Mace [%] TVR [%] TLR [%] TVF [%] Trombose[%] Duur
opvolging Bron
Taxus Liberté
8,0 0,8 9 maanden [42]
Taxus Express
7,1 0,7
Tabel 13: Klinische resultaten van de Taxus Liberté
2.3.8 Cypher-Select
In tegenstelling tot de Cypher zijn er over de Cypher-Select nog maar weinig studies gepubliceerd.
Stent Mace [%] TVR [%] TLR [%] TVF [%] Trombose[%] Duur
opvolging Bron
Cypher Select
3,35 2,4 1,2 9 maanden [43]
Cypher Select
6,51 5,14 1 jaar
Tabel 14: Klinische resultaten van de Cypher-Select
2.3.9 Vision
Ook voor de Vision werden slechts weinig resultaten gevonden.
Stent Mace [%] TVR [%] TLR [%] TVF [%] Trombose[%] Duur
opvolging Bron
Multi-Link Vision
6,8 1,4 1,4 6 maanden [44]
Tabel 15: Klinische resultaten van de Multi-Link Vision
2.4 De vergelijking
Met deze gegevens wordt een poging gedaan om een rangschikking te maken. Om de gegevens
enigszins te kunnen vergelijken dient er rekening gehouden te worden met de duur van de opvolging.
De keuze viel op 9 maanden omdat voor deze periode de meeste gegevens beschikbaar waren.
Indien deze niet beschikbaar waren werd de dichtstbijzijnde duur gebruikt.
Hoofdstuk 2 Bestaande stentontwerpen
36
Stent Mace [%] TVR [%] TLR [%] TVF [%] Duur
opvolging
AMS 23,8 38 4 maanden
Multi link Penta 24,4 18,6 14,5 9 maanden
Tenax 15,8 7,1 1 jaar
Multi link Vision 6,8 1,4 1,4 6 maanden
Cypher 3,2 2,4 6 maanden
10,2 1 jaar
Endeavor 4,2 4,6 6,8 - 8,1 9 maanden
Cypher Select 3,35 2,4 9 maanden
Taxus Liberté 8,0 9 maanden
Promus 5,8 7,5 5,6 1 jaar
7,2 9 maanden
Tabel 16: Vergelijking klinische resultaten
De tabel lijkt de te verwachten resultaten in grote mate te bevestigen. De AMS scoort het slechtst.
Het absorbeerbare materiaal heeft duidelijke nadelen in vergelijking met andere ontwerpen.
Daarna volgen de Multi-Link Penta en de Tenax. Ook dit zijn geen verrassingen. De Penta is een BMS
en is dus nog onderhevig aan een hoge restenosegraad. De Tenax scoort reeds aanzienlijk beter door
de aanwezigheid van een passieve SiC-coating.
Daarna volgt de groep van de DES. Hierin is geen duidelijk rangschikking te vinden. Ze scoren
allemaal goed met resultaten onder de 10%.
De afwijking op deze rangschikking is de Multi-Link Vision. In het beschouwde onderzoek scoorde
deze opmerkelijk goed voor een BMS. Deze resultaten moeten met enige voorzichtigheid beschouwd
worden aangezien het slechts om 1 studie gaat over een duur van 6 maanden.
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
37
Deel 2
Numerieke studie
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
38
Hoofdstuk 3
Doel en werkwijze van de numerieke studie
3.1 Doel van het numerieke deel van deze thesis
Eerdere thesissen[45][46] hebben reeds een groot aantal numerieke simulaties uitgevoerd. Hierbij
werden de berekeningen rechtstreeks in de Abaqus CAE aangemaakt. Het tekenen van de geometrie
en het ingeven van alle nodige gegevens in Abaqus is een tijdrovende bezigheid. Voor het modelleren
van één stent valt dit nog mee, maar indien men meerdere ontwerpen of opeenvolgende stappen
van een optimalisatie met elkaar wil beproeven en vergelijken gaat hier nodeloos veel tijd verloren.
Om deze reden is het doel van deze thesis het creëren van een ontwerpomgeving voor het meer
geautomatiseerd ontwerpen van stents. Deze ontwerpomgeving dient het mogelijk te maken om een
geometrie te tekenen aan de hand van enkele parameters, waarna met de aangemaakte geometrie
enkele berekeningen kunnen worden uitgevoerd. De gebruiker hoeft alleen maar via dialoogvensters
enkele keuzes in te geven. De preprocessor resulteert in een Abaqus-Inputfile die zonder verder werk
op een Abaqus-rekencluster kan geplaatst worden. Na afloop van de berekeningen is het mogelijk
enkele belangrijke stentparameters automatisch te bepalen en ze in grafieken voor te stellen.
Deze ontwerpomgeving werd volledig binnen pyFormex aangemaakt. PyFormex is een programma in
volle ontwikkeling onder leiding van en door prof. dr. ir. B. Verhegghe dat gebruik maakt van de
python-programmeertaal om complexe ruimtelijke geometrieën te tekenen door gebruik te maken
van wiskundige transformaties. Behalve voor het tekenen en te analyseren van de geometrie werd
pyFormex in deze thesis ook gebruikt om de overgang van en naar Abaqus automatisch te laten
verlopen.
In de thesis van Wim Cosaert[47] werd dit reeds gedaan voor zelfexpandeerbare draadstents. In deze
thesis worden dan ook enkel ballonexpandeerbare stents bestudeerd.
3.2 Werkwijze
3.2.1 Onderlinge relaties tussen de scripts
In het kader van deze thesis is een ontwerpomgeving gemaakt voor het testen en optimaliseren van
stentontwerpen. Een eigen ontwerp of optimalisatie viel buiten deze thesis en daarom werden
enkele bestaande stents gemodelleerd om de verschillende functies te testen en hun nut aan te
tonen. Het einddoel was een vergelijking tussen de verschillende geïmplementeerde ontwerpen.
Deze modellen werden gecreëerd aan de hand van ingescande micro-CT-beelden. Op basis van 3D
reconstructie werden stl bestanden gemaakt die het oppervlak van de stent beschrijven aan de hand
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
39
van driehoeken. Deze beelden werden in pyFormex ontrold en doorsneden langs hun middenvlak. In
dit vlak werd de hartlijn getekend. De ingescande beelden worden enkel gebruikt om deze hartlijnen
te tekenen. Ze komen dus niet rechtstreeks tussen in de berekeningen.
Figuur 37: De hartlijn van de Multi-Link Penta
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
40
Figuur 38: Vergelijking tussen het ingescande CT-beeld (zwart) en het parametrisch model (rood) van de Multi-Link Penta
Deze vlakke hartlijn is noodzakelijk om de functies van de preprocessor te gebruiken. Omdat er ook
berekeningen met een volumemesh zijn, dienen er bij het opstellen van deze hartlijn enkele
beperkingen van het sweepalgoritme in rekening genomen te worden:
Enkel property 1 en 2 mogen gebruikt worden, bij alle hogere nummers worden de eigenschappen van property 2 gebruikt;
Maximaal 3 elementen mogen samenkomen in 1 knoop en er is een minimum van 6 elementen tussen 2 knopen;
Een bifurcatie dient te bestaan uit 1 doorgaande tak van property 1 en 1 eindigende tak van property 2 waarvan het eerste element langer dient te zijn dan de halve breedte van property 1;
De losse uiteinden dienen volgens de y-as georiënteerd te zijn.
Deze voorwaarden zijn voldaan voor alle bestaande geometrieën die via een script getekend worden.
Er dient dus enkel rekening mee gehouden te worden bij het maken van nieuwe scripts. Indien aan
deze voorwaarden niet voldaan kan worden, kan de geometrie in de vorm van een formex
aangemaakt worden.
Het tekenen van deze hartlijn gebeurt in een apart script; dit om een volledig onafhankelijke
preprocessor te bekomen. De overgang gebeurt bijgevolg aan de hand van een export-functie. Deze
exporteert niet alleen de geometrie maar ook meerdere parameters die bij latere functies nodig
zullen zijn. Het gaat hier vooral om parameters die de dwarssecties van de verschillende struts
bepalen. Het doel van het uitvoeren van het script is het exporteren van deze waarden.
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
41
Naast deze tekenfunctie is het ook aan te bevelen om een parameterinput te implementeren in het
script. Dit maakt het mogelijk een parametrisch onderzoek en bij uitbreiding een optimalisatie uit te
voeren zonder manueel wijzigingen in het script aan te brengen. Er is wel voor gezorgd dat er telkens
defaultwaarden worden voorgesteld. Deze waarden leiden tot een zo goed mogelijke benadering van
de geometrie van de bestaande stent. Naast enkele geometrische parameters worden ook een
bestandnaam en optioneel enkele parameters die de fijnheid van de mesh bepalen gevraagd. Deze
bestandsnaam, die hier wordt ingegeven, zal worden meegegeven aan alle bestanden die op basis
van deze geometrie geschreven worden.
Figuur 39: Voorbeeld van de parameters die de mesh-fijnheid bepalen
Met deze geometrie kunnen de algemene functies in het preprocessingscript (stentanalysis.py)
gestart worden en bijgevolg de berekeningen uitgevoerd worden. Meer uitleg over de preprocessor
volgt in hoofdstuk 4.
Na de berekeningen kunnen de resultaten verwerkt worden door de postprocessor
(poststentanalysis.py). Meer uitleg over de preprocessor volgt in hoofdstuk 5.
Een overzicht van de onderlinge relaties tussen de pre- en postprocessor wordt weergegeven in
onderstaande figuur.
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
42
Figuur 40: Overzicht van de verbanden tussen scripts en de onderling door te geven bestanden
De preprocessor geeft 4 bestanden met dezelfde naam, maar met verschillende extensies, als
resultaat.
‘.txt’-bestand
‘.inp’-bestand
‘.request’-bestand
‘_postmain.py’-bestand
Het ‘.txt’-bestand bevat enkel informatie (bvb. details geometrie) over het model. Het heeft als enige
nut de gebruiker te informeren over wat er precies in de bijhorende inputfile is weggeschreven.
Het ’.inp’-bestand, de Abaqusinputfile, bevat de berekening zelf. Deze inputfile kan onmiddellijk in de
request-map van de rekencluster geplaatst worden. De berekening wordt gestart door de bijhorende
‘.request’-file voor de bumpercluster in dezelfde request-map te plaatsen.
Als laatste kan er optioneel een ‘_postmain.py’-bestand gecreëerd worden. Dit is een python-script
dat een dictionary bevat en deze exporteert. De gegevens in het script zijn noodzakelijk voor de
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
43
werking van de postprocessor. Het betreft gegevens die moeilijk uit het ‘_post.py’-bestand kunnen
gehaald worden maar wel perfect gekend zijn door de preprocessor.
De postprocessor maakt een ‘.data’-bestand dat specifieke resultaten bevat voor de
stentberekeningen. Aan de hand van deze ‘.data’-bestanden kunnen grafieken getekend worden. De
postprocessor kan zelf enkel de initiële geometrie tekenen. Voor afbeeldingen van de vervormde
stent is de gebruiker nog aangewezen op het openen van de ‘.odb’-database in de Abaqus CAE. Dit is
het gevolg van de keuze om enkel heel specifieke gegevens in het ‘_post.py’-bestand te laten
wegschrijven om zo de bestandsgrootte te beperken en tevens de tijd nodig om de resultaten door
pyFormex te verwerken.
3.2.2 Versnelde berekeningen
Een eerste optie is het model opbouwen uit balkelementen. De berekeningen met balkelementen
bevatten slechts 1 element per dwarssectie. Bij solidelementen variëert het aantal elementen
meestal van 6 tot 12. Hierdoor zouden optimalisatiestappen met balkelementen kunnen gebeuren
waarna een nauwkeurigere (en reeds gevalideerde) berekening met solidelementen gemaakt kan
worden.
Het vermoeden dat de berekeningen met balkelementen sneller gaan wordt onderbouwd door het
artikel van G. J. Hall[48]. In dit artikel werd een vergelijking gemaakt door een cilindrische expansie
uit te voeren met balkelementen (B31), schaalelementen (S4R,S4) en solidelementen
(C3D8R,C3D8,C3D8I). In het artikel wordt aangetoond dat voor een grove mesh er minimale
verschillen zijn. Voor een fijnere mesh kan het verschil tussen B31- en C3D8R-elementen een factor
15 bedragen. Een zelfde trend wordt waargenomen in de geheugenvereisten.
Deze werkwijze met balkelementen is overal toe te passen en heeft geen beperkingen. Door
daarnaast rekening te houden met het feit dat de modellen in pyFormex vertrekken van een
getekende hartlijn, werd gekozen om deze werkwijze te implementeren. Een probleem dat wel bij
deze balkelementen optreedt is het onderlinge contact. Het contact tussen de twee lijnvormige
elementen gebeurt pas als de hartlijnen elkaar raken. In realiteit gebeurt dit sneller door de
strutbreedte. Dit is vooral van belang bij de flexibiliteits- en radiale sterktetest.
Andere methodes om de rekentijd te verkorten steunen vooral op het principe van het verkleinen
van het model. Hierbij kan onder andere gebruik gemaakt worden van symmetrie. In onderstaande
afbeelding is een voorbeeld gegeven van de Palmaz-Schatzstent waar door longitudinale en
omtrekssymmetrie het model kan herleid worden tot een vierentwintigste van de totale stent.
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
44
Figuur 41: Verkleinen van het model van de Palmaz-Schatz stent [49]
Deze methode is uiterst geschikt voor deze stent, die een zeer hoge graad van symmetrie heeft. Niet
alleen de stent maar de volledige berekening dient wel symmetrisch te zijn om deze techniek toe te
passen. Hierdoor is het meteen onmogelijk om deze werkwijze toe te passen op een
flexibiliteitsberekening. Ook bij de ballonexpansie kunnen problemen ontstaan. Het totale model,
bestaande uit stent en ballon, dient te voldoen aan de symmetrie. Bij een ballon met 3 vouwen is
deze techniek dus al beperkt tot een factor 3 in radiale richting. Het is ook moeilijk om deze
werkwijze automatisch te laten verlopen.
Deze techniek werd niet toevallig aan de hand van de relatief oude Palmaz-schatzstent aangetoond.
De nieuwere generaties stents (zie Figuur 42) zijn wegens hun complexere geometrie minder
geschikt om te vereenvoudigen door symmetrie.
Figuur 42: De Taxus Liberté (links) en de PRO-Kinetic (rechts)
Een werkwijze die gebaseerd is op deze voorgaande is die van de Repeated Unit Cell[50]. Deze
methode selecteert een zo klein mogelijke cel uit het model die zich zowel in longitudinale als in
radiale richting herhaalt. Aan de randen van dit model worden speciale randvoorwaarden toegekend.
De tegenover elkaar liggende randen moeten wegens de repetiviteit identieke verplaatsingen en
krachten ondervinden. In het geval van een stent resulteert deze werkwijze in het model van een
oneindig lange cilinder. Bijgevolg is deze werkwijze enkel nuttig voor een cilindrische expansie.
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
45
Het selecteren van een cel kan bovendien bijna onmogelijk automatisch gebeuren. Deze werkwijze
heeft dus een beperkt toepassinggebied en stelt enkele bijkomende problemen.
Er werd gekozen voor de werkwijze met balkelementen omwille van de volgende eigenschappen:
Voor alle berekeningen toepasbaar;
Geen manuele tussenkomst nodig om gereduceerd model te selecteren;
Er is reeds over een model in balkelementen beschikbaar.
Een andere beschikbare manier om snellere resultaten te bekomen is de grovere mesh. Deze
werkwijze vermindert de nauwkeurigheid van de berekening maar kan wegens zijn eenvoud van
toepassen wel altijd gebruikt worden. Alle modellen beschikken dan ook over een optie om de
meshfijnheid aan te passen.
3.3 Stentmodellen
Hierna volgt een korte bespreking van de opgestelde modellen en hun parameters.
3.3.1 Cypher
Het eerste model dat opgesteld werd was dit van de Cypher. De keuze viel op de Cypher vanwege
zijn positie als marktleider bij de DES maar ook door zijn relatief eenvoudige geometrie. De eerste
stap bestaat uit een widget die vraagt naar enkele parameters.
De geometrische keuzeparameters zijn in onderstaande figuren voorgesteld.
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
46
Figuur 43: De parameters van de Cypher
Figuur 44: De Cypher en zijn parameters
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
47
3.3.2 Multi-Link Vision / Promus
De Promus verschilt alleen van de Vision doordat deze eerste een drug-eluting coating heeft. Er is
bijgevolg geen reden om te differentiëren op gebied van het geometrisch model.
De geometrie van de Vision is een stuk complexer dan deze van de Cypher en heeft bijgevolg een
veelvoud aan parameters die de geometrie bepalen. Daarom werd gekozen om slechts enkele
basisparameters rechtstreeks beschikbaar te maken. Dit zijn vooral globale parameters zoals het
aantal ringen en de diameter van de stent. Enkele andere parameters kunnen ook optioneel
veranderd worden terwijl nog andere, minder belangrijke, enkel in het script gewijzigd kunnen
worden.
Op onderstaande figuren worden de meeste parameters voorgesteld.
Figuur 45: De parameters van de Vision
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
48
Figuur 46: De Multi-Link Vision en enkele van zijn talrijke parameters
3.3.3 AMS
De geometrie van de absorbable metal stent is de enige die niet afgeleid is van een CT-scan
aangezien er geen beelden beschikbaar waren. De geometrie is dan ook gebaseerd op de afmetingen
die reeds werden gebruikt in de thesis van Andy De Pelsmaeker[45].
De AMS heeft, net als de Cypher, een beperkt aantal parameters nodig om de geometrie te
definiëren en bijgevolg kunnen ze allemaal worden ingegeven in een enkel menu.
Figuur 47: De parameters van de AMS
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
49
Figuur 48: De AMS
3.3.4 Multi-Link Penta
De Penta is een stent met twee duidelijk verschillende types ringen. De eerste en laatste ring zijn een
aangepaste versie van de ringen van de Vision, die ook een product van Abbott is. De centrale ringen
zijn echter relatief eenvoudig. Ze bestaan hoofdzakelijk uit rechte stukken. De ingave van de
parameters voor de centrale ringen gebeurt rechtstreeks, de linkparameters worden daarentegen
enkel optioneel gevraagd.
Figuur 49: De parameters van de Multi-Link Penta
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
50
Figuur 50: De Multi-Link Penta en zijn parameters
3.3.5 Tenax
De geometrie van de Tenax is relatief eenvoudig. De parameters zijn bijna allemaal kromtestralen en
bijhorende middelpuntshoeken.
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
51
Figuur 51: De Tenax en zijn parameters
3.3.6 Endeavor
Het model van de Endeavor is anders opgesteld dan dat van voorgaande stents. De reden hiervoor is
dat de verbindingen erg verschillen van die van vorige stents. De verbindingen zijn bij de Endeavor
geen struts maar eerder puntlassen tussen de verschillende ringen. Het model is dan ook opgebouwd
uit verschillende ringen die ter hoogte van de verbindingen samenvallende knopen hebben en die
dus in de berekening als verbonden beschouwd zullen worden.
Figuur 52: De Endeavor
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
52
Een tweede noodzaak om het model voor deze stent verschillend op te bouwen is de vorm van de
doorsnede van de struts. Deze zijn namelijk rond. Door deze twee verschillen kan de standaard
werkwijze niet gebruikt worden. Om toch berekeningen te kunnen doen met deze stent werd een
extra optie ingebouwd in het script stentanalysis.py. Aan de hand van deze optie kan men de stent
als formex inlezen. Deze formex kan men aanmaken met het script Endeavor.py. In dit script wordt
eerst een hartlijn getekend. Hierna wordt een rooster van vierkanten aangemaakt dat langs de
hartlijn gesweept wordt. Er zijn twee roosters beschikbaar. Het eerste rooster heeft 12 elementen,
het tweede heeft er 20.
Figuur 53: De roosters van de Endeavor
Met beide roosters stemmen 2 formexen overeen, respectievelijk Endeavor12 en Endeavor20. Beide
kunnen in het script ‘stentanalysis.py’ geïmporteerd worden zodat er vervolgens inputfiles mee
aangemaakt kunnen worden. Om de rekentijd te beperken werd de versie met 12 elementen per
dwarsdoorsnede gebruikt in de berekeningen.
Figuur 54: De verbindingen in de Endeavor
De verbindingen komen tot stand door te zorgen dat de knopen lokaal samenvallen. Deze verbinding
zal tijdens de berekeningen hoogstwaarschijnlijk aanleiding geven tot aanzienlijke
spanningsconcentraties. Deze zullen in de werkelijke stent niet voorkomen aangezien de aanwezige
las een zekere uitgestrektheid heeft. De gebruiker dient dan ook, net als bij andere eindige-
elementenberekeningen, de spanningsresultaten voor deze locatie met het nodige inzicht te
interpreteren.
Hoofdstuk 3 Doel en werkwijze van de numerieke studie
53
3.3.7 Taxus Liberté
Net als de Endeavor is het model van de Taxus opgesteld in de vorm van een formex. Ook hier lag het
probleem bij de verbindingen.
Figuur 55: De Taxus Liberté
Hier zijn de verbindingen gecreëerd door een kort lijntje evenwijdig met de struts te tekenen en dit
te meshen met de nodige breedte om de opening ertussen op te vullen.
Figuur 56: De verbindingen van de Taxus Liberté
Hoofdstuk 4 De preprocessor
54
Hoofdstuk 4
De preprocessor
Alvorens de eigenlijke preprocessor te bespreken, wordt dieper ingegaan op enkele nieuwe en
gewijzigde plugins die nodig waren om de preprocessor te maken. Deze wijzigingen zijn gebaseerd op
de officiële pyFormex release 0.7.
4.1 Nieuwe en gewijzigde plugins
4.1.1 Materialen (materials.py)
Als eerste werd een materialendatabase met bijhorende functies geïmplementeerd. Dit kan gezien
worden als een uitbreiding van de reeds bestaande database. Deze uitbreiding was noodzakelijk om
ook eigenschappen als plasticiteit en demping te kunnen meegeven. Hierbij werden enkele functies
ontwikkeld om in de GUI te gebruiken bij het ingeven en wegschrijven van materialen.
De materialendatabase is gebaseerd op de klasse flatkeydb, een reeds geïmplementeerde klasse.
Deze keuze werd gemaakt om gebruik te kunnen maken van de bestaande functies om de database
naar een tekstbestand te schrijven en ook terug te lezen.
De database kan geïnitieerd worden met 4 materialen: staal (316L), cobalt-chroom, magnesium WE
43 en nylon. Dit zijn alle nodige materialen om alle berekeningen uit te voeren met de
gemodelleerde stents. De gegevens voor magnesium zijn niet gevalideerd en bijgevolg dienen de
berekeningen met de dit materiaal, alle berekeningen met de AMS, als indicatief gezien te worden.
Verder is er natuurlijk een functie om nieuwe materialen toe te voegen. Deze functie vraagt alle
noodzakelijke parameters en biedt de mogelijkheid om plasticiteit en één andere karakteristiek in te
geven zoals demping. Bij iedere parameter is de defaultwaarde van staal meegegeven. Dit om de
gebruiker een voorbeeld te geven van het formaat dat ingegeven dient te worden.
Verder zijn er meerdere functies die specifiek dienen om materialen uit de database te gebruiken bij
het wegschrijven van een Abaqus-inputfile. Er is een functie die enkel een meegeleverd materiaal in
een inputfile wegschrijft. Deze functie zit nu ook in de aangepaste versie van de plugin f2abq.
Hiervoor is er geen inbreng van de gebruiker nodig. Daarnaast bestaat er een functie voor het
wegschrijven van een materiaal via de GUI. De gebruiker wordt dan gevraagd om een materiaal uit
de database te kiezen of zelf nog een nieuw materiaal aan te maken. Na een bevestiging van de
gegevens worden deze weggeschreven.
In het ‘stentanalysis’-script wordt een aangepaste versie van deze laatste functie gebruikt. Deze
schrijft het materiaal niet naar een inputfile maar geeft de dictionary terug, zodat deze kan gebruikt
Hoofdstuk 4 De preprocessor
55
worden bij het maken van de element properties. Op deze manier kan de definitie writeAbqInput
nog steeds volledig automatisch plaatsvinden.
Ten slotte is er nog een functie die de database afdrukt in de GUI.
4.1.2 Properties (properties.py)
Om de berekeningen te kunnen wegschrijven naar een inputfile via de f2abq plugin dienen de nodige
gegevens opgeslagen te worden in de properties. Het was in het kader van deze thesis nodig deze
properties uit te breiden om zo meer gegevens te kunnen bijhouden.
Een eerste grote uitbreiding is de nieuwe klasse modelproperties. Deze klasse bevat alle gegevens die
niet aan knopen of elementen kunnen verbonden worden. Voorlopig bevat deze klasse dus
amplitudes, interaction properties en interactions.
Een amplitude wordt ingegeven als een eendimensionale lijst. De gebruiker dient er dus voor te
zorgen dat er zich een even aantal elementen in de lijst bevindt.
Deze amplitude kan daarna verbonden worden aan twee andere klassen: NodeProperty en Elemload.
Op deze manier is het dus mogelijk om belastingen en verplaatsingen op te leggen volgens een
gedefinieerde amplitude.
De interaction properties worden aangemaakt met twee gegevens: het type en een getalwaarde. Het
type dient tevens als het Abaqus keyword. In deze thesis wordt telkens gebruik gemaakt van het type
‘friction’ en hierbij hoort dus een wrijvingscoëfficiënt.
Met de interaction property kan men vervolgens een interaction aanmaken. Naast de property is ook
nog een interactionname nodig. Bij de interactions zijn er twee mogelijkheden die aan de hand van
de interactionname worden opgeroepen.. De eerste is de interaction “Allwithself”. Deze optie
activeert meteen alle mogelijke contacten zonder de noodzaak alle oppervlakken aan te maken. Het
nadeel is dat ze enkel in Abaqus Explicit beschikbaar is. De tweede contactoptie is het “surface to
surface”-contact. Dit contacttype heeft vanzelfsprekend twee extra parameters nodig: de twee
contactoppervlakken. Deze optie is ook beschikbaar in Standard, maar heeft het nadeel dat Abaqus
er niet in slaagt het contactprobleem op te delen over meerdere cpu’s. De oppervlakken die hiervoor
nodig zijn, kunnen op hun beurt dan weer aangemaakt worden binnen de klassen NodeProperty en
ElemProperty. In beide klassen kan optioneel een oppervlaknaam meegegeven worden. Tijdens het
wegschrijven van de abaqus-inputfile worden aan de hand van deze oppervlaknamen ook node-
based en element-based surfaces weggeschreven. Het script schrijft per property waar een
oppervlaknaam is ingegeven het oppervlak weg.
In deze thesis wordt enkel de optie “Allwithself” gebruikt.
4.1.3 F2abq (f2abq.py)
Nu deze nieuwe functies opgeslagen kunnen worden dienen ze ook nog in de inputfile geschreven te
worden. Hiervoor waren een aantal veranderingen nodig in de plugin f2abq. In de algemene functie
writeAbqInput werden enkele extra lijnen code geschreven die ondergeschikte functies oproepen die
de oppervlakken en modelproperties wegschrijven.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
56
De grootste wijziging is echter het implementeren van de keuze tussen Abaqus Standard en Abaqus
Explicit. Deze optie is geïmplementeerd met een ‘if’ in de functie writeStep. Dit was pas mogelijk
indien voor alle belastingen amplitudes waren geïmplementeerd. Bij een berekening in Explicit wordt
automatisch met een niet-lineaire geometrie gerekend, tenzij de gebruiker specifiek een lineaire
berekening kiest. Het is ook de gebruiker die aandacht dient te besteden aan de definiëring van de
tijdsstap. Bij een berekening in Standard bestaat de parameter time uit een rij van vier getallen, bij
Explicit daarentegen is slechts 1 getal vereist. Bovendien zal bij Explicit de tijdstap een
doorslaggevende rol spelen in het bepalen van de rekentijd en de dynamische effecten. Terwijl men
bij Standard meestal een eenheidstijdsstap neemt zal men bij Explicit een tijdstap nemen van typisch
slechts enkele duizendsten van een seconde .
In het kader van de postprocessor werden ook reeds enkele wijzigingen uitgevoerd voor het
uitvoeren van de resultaten. Dit was nodig omdat in Explicitberekeningen niet kan gewerkt worden
met een uitvoer naar de ‘.dat’-file. Hiervoor werd in de klasse ‘Result’ enkele wijzigingen
aangebracht. Er was reeds de optie ‘frequency’. Deze optie bepaalt per hoeveel increments de
resultaten opgeslagen worden. Voor de hier geïmplementeerde berekeningen is het echter moeilijk
een inschatting te maken naar het totale aantal increments dat nodig zal zijn voor de berekeningen.
Daarom werd dit gewijzigd naar de optie ‘Number Interval’. Deze optie legt het totaal aantal outputs
vast. Deze worden evenredig verdeeld over de tijdsstap. Standaard staat deze waarde op 20. Nadien
werd deze optie ook ingebouwd in de klasse Odb om zo ook in de CAE de tijdelijke toestanden in
beeld te kunnen brengen.
Verder werden ook de sections die bij de nodige elementtypes (3D solids, membrane en rigid) horen
voor deze berekeningen geïmplementeerd.
Na het realiseren van deze wijzigingen en uitbreidingen kon gestart worden met het maken van de
preprocessor zelf.
4.1.4 Definities (definities.py)
In deze plugin zijn functies opgenomen die specifiek ontwikkeld zijn voor gebruik in het stentanalysis-
script. Voor de bespreking zijn de functies gegroepeerd volgens hun doel.
4.1.4.1 Mesh Creëren
Een groot deel van de definities in dit script dient om de mesh te sweepen. Deze functies werden ter
beschikking gesteld door Peter Mortier. Naast de kernfunctie, sweepGrid, zijn er ook enkele meer
uitgewerkte functies die de volledige stent meshen. Hiervoor wordt per property een dwarssectie
gemaakt, deze sectie wordt langs alle onvertakte stukken van het lijnenpatroon gesweept waarna in
de laatste stap de bifurcaties gemesht worden.
Het meshen gebeurt door het rooster van de dwarssectie, bestaande uit vierkanten, in iedere knoop
van het balkmodel ter plaatsen. Hierbij wordt het rooster georiënteerd volgens de bissectrice van de
hoek tussen de twee aanpalende elementen. Aan de vrije uiteinden kan deze bissectrice niet bepaald
worden. Bijgevolg zijn er drie opties voor het oriënteren van dit laatste rooster. Een eerste is het niet
meshen van dit element. Bij de tweede optie wordt het rooster gewoon loodrecht op het laatste
element geplaatst. In het stentanalysisscript wordt er echter gebruik gemaakt van de derde optie.
Hierbij wordt een vector opgegeven voor de oriëntatie van het rooster. In het script wordt het laatste
Hoofdstuk 4 De preprocessor
57
rooster loodrecht op de y-as georiënteerd. De hexaëderelementen worden gemaakt door de
corresponderende knopen in twee opeenvolgende roosters te verbinden.
De laatste elementen in de bifurcatie worden gecreëerd door het laatste rooster in de zijtak te
verbinden met de knopen in het zijvlak van de hoofdtak. Hierdoor dient de gebruiker bij het tekenen
van de vlakke stent bestaande uit balkelementen extra aandacht besteden aan deze bifurcaties. De
lengte en de oriëntatie van het eerste element van de zijtak zijn doorslaggevend. De lengte dient
minimaal de halve breedte van de hoofdtak te zijn en de oriëntatie is in een optimale situatie
loodrecht. Desondanks blijven deze elementen meestal de meest onregelmatige in de mesh.
In de definitie meshStentCyl, die alle nodige deelfuncties groepeert in één definitie, wordt hierna nog
een oproloperatie toegepast op de nodes. De keuze om deze operatie enkel toe te passen op de
nodes, in plaats van op de formex, is gemaakt om het algoritme zo snel mogelijk te maken. Door het
oprollen komen er namelijk dubbele knopen in de formex die moeten weggewerkt worden door
gebruik te maken van het commando feModel. Dit commando is behoorlijk tijdrovend. Deze tijd kan
beperkt worden door de operatie enkel op de nodes toe te passen. De knopen en elementen van het
model vormen het eindresultaat van al deze functies.
4.1.4.2 De controlefuncties
Zoals hierboven reeds beschreven staat, wordt de getekende mesh volledig bepaald door de
verschillende keuzes van de gebruiker. Vooral de verdeling in elementen van de centerlijn is hierbij
belangrijk. Zo bepaalt de gebruiker onrechtstreeks de kwaliteit van de mesh. Daarom was het nodig
om de gebruiker de mogelijkheid te geven om zijn mesh te controleren en indien nodig te verbeteren
alvorens er berekeningen mee uit te voeren. Hij kan hiervoor kiezen uit twee controles die beide
specifiek zijn voor hexaëderelementen.
De eerste controle is de zogenaamde EdgeRatio. Deze bepaalt de maximale verhouding van de
langste zijde tot de kortste binnen een element. Deze is optimaal gelijk aan 1, wat een perfecte
kubus voorstelt. Daar deze methode al meteen de lengtes van alle zijden bepaalt, wordt ook meteen
de lengte van de kortste zijde in het hele model afgedrukt om zo een indicatie te geven naar de
rekentijd toe.
De andere controlemogelijkheid werd EquiAngleSkew genoemd. Deze controle is gebaseerd op de
hoeken tussen de zijden. Ze bepaalt de genormeerde afwijking ten opzichte van 90°.
9090
90
9090
90
hoekals hoek
EAShoek
als hoek
Deze controle levert voor het ideale geval van kubussen de waarde 0 en kan maximaal 1 worden. Een
mesh met een EAS kleiner dan 0.3 wordt als goed beschouwd.
Deze controles vindt nagenoeg altijd de elementen in de bifurcaties als slechtste elementen.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
58
4.1.4.3 Geometrie inputfiles
Met deze functies worden inputfiles gemaakt die enkel de geometrie bevatten. Zo is het mogelijk om
in de Abaqus CAE zelf andere berekeningen aan te maken dan de standaard geïmplementeerde. Om
dit te vereenvoudigen zijn er ook functies die de geometrie met ballon en katheter tekenen.
4.1.4.4 Ballon
Om de ballonexpansie te modelleren werden enkele functies geprogrammeerd om de geometrie aan
te maken.
De ballon en katheter worden getekend aan de hand van de volgende parameters:
Naam Beschrijving
overLenghtCath De overlengte van de katheter ten opzichte van de stent
overLenghtBalloon De overlengte van de ballon ten opzichte van de stent
nrk Het aantal elementen in radiale richting
nlk Het aantal elementen in longitudinale richting
N Het aantal plooien in omtrekszin
Atrans De hoek waarin de lagen de overgang maken van binnen naar buiten
(verduidelijking in Figuur 58)
Dsb De afstand tussen ballon en stent en tussen ballon en katheter
Dbb De afstand tussen de lagen van de ballon onderling
D0 De onbelaste diameter van de ballon
Include Balloonends Bepaalt of de ballon met of zonder uiteinden getekend wordt
Tabel 17: De parameters voor de ballon
De defaultwaarden zijn ingesteld om een raptor-ballon van 3 mm te modelleren.
4.1.4.4.1 Zonder uiteinden
Eerst werd een opgevouwen ballon gemodelleerd zonder de uiteinden. Dit model werd reeds eerder
gebruikt in thesissen van Peter Mortier[46] en Andy De Pelsmacker[45].
Hoofdstuk 4 De preprocessor
59
Figuur 57: De ballongeometrie
Voor het tekenen kan beginnen, wordt een controle uitgevoerd. Er wordt nagegaan of er drie of vijf
lagen nodig zijn om de nodige onbelaste omtrek van de ballon te tekenen. De controle bepaalt naast
het aantal lagen ook de middelpuntshoek van de boog van de buitenste laag (verduidelijking in
Figuur 58).
Figuur 58: Dwarsdoorsnede ballon
Aan de hand van deze resultaten wordt vervolgens één van de twee tekenfuncties, respectievelijk
drie of vijf lagen, opgeroepen om de dwarsdoorsnede te tekenen. Deze dwarssectie wordt daarna in
longitudinale richting geëxtrudeerd. Deze extrusie gebeurt over de lengte van de stent vermeerderd
met de ingegeven overlengte aan beide zijden.
Daarna wordt een katheter getekend binnen in de ballon. Deze katheter is nog iets langer dan de
ballon om zo zeker te zijn dat de ballon overal een invloed van de katheter voelt tijdens de expansie.
Atrans
Hoek
buitenste laag
Hoofdstuk 4 De preprocessor
60
Aan dit ballonmodel wordt een lineaire elasticiteitswet toegekend. De elasticiteitsmodulus wordt
bepaald zoals beschreven door Peter Mortier[46]. Uit de druk-diametergegevens van de ballon
worden ware rekken en spanningen afgeleid. Hieruit kan de modulus bepaald worden in functie van
de druk. Aan de hand daarvan wordt dan een schatting gemaakt voor de gemiddelde
elasticiteitsmodulus. In het kader van deze thesis werd dit nog eens uitgevoerd voor een nieuwe
ballon: de Sequent (3mm) van BBraun.
Sequent
Druk [N/mm²] Diameter [mm] Ware rek[-] Ware spanning[N/mm²] E [N/mm²]
0 2,76 0,00 0,00
0,1 2,80 0,01 5,82 404,5
0,2 2,84 0,03 11,97 419,0
0,3 2,88 0,04 18,46 433,8
0,41 2,92 0,06 25,30 449,0
0,51 2,96 0,07 32,49 464,4
0,61 3,00 0,08 40,04 480,1
0,71 3,04 0,10 47,95 496,2
0,81 3,08 0,11 56,24 512,6
0,91 3,12 0,12 64,91 529,4
1,01 3,15 0,14 73,96 546,4
1,11 3,20 0,15 83,41 563,9
1,22 3,24 0,16 93,26 581,6
1,32 3,28 0,17 103,52 599,7
1,42 3,32 0,18 114,20 618,2
1,52 3,36 0,20 125,30 639,9
Tabel 18: Druk-diameterwaarden voor de Sequent ballon
In deze tabel zijn de diameterwaarden voor drukken kleiner dan 0,40 N/mm² geëxtrapoleerd. In realiteit is bij deze drukwaarden de ballon nog niet volledig ontrold. In het model wordt echter uitgegaan van een reeds cilindrische ballon. Hiervoor is het dus nodig een onbelaste diameter te kennen van de ballon om de initiële geometrie te kunnen tekenen.
Aan de hand van deze resultaten wordt een schatting van 570 N/mm² gemaakt.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
61
Figuur 59: Bepalen E-modulus
Deze schatting wordt aan de hand van een Abaqusberekening gecontroleerd. Een niet opgevouwen
ballon wordt geëxpandeerd. De bekomen druk-diameterwaarden worden daarna vergeleken met
deze van de producent.
Figuur 60: Controleberekening
Dit waren de resultaten:
Hoofdstuk 4 De preprocessor
62
Druk Diameter
0 2,760003
0,100025 2,788703
0,200072 2,818623
0,300025 2,84878
0,400077 2,880153
0,500054 2,914156
0,600023 2,949922
0,700098 2,988678
0,80001 3,029657
0,90002 3,070311
1,00004 3,116141
1,10005 3,166632
1,20008 3,219616
1,3001 3,277817
1,40007 3,340715
1,5 3,414434
Tabel 19: Druk-diameterwaarden van de controleberekening
Figuur 61: De druk-diameterkrommen van de producent en van de controleberekening
Met de lineaire benadering kan in het werkingsinterval de diameter benaderd worden met een
maximale afwijking van 1,68%. Deze kleine fout is zeker aanvaardbaar in verhouding tot de
vereenvoudiging die het model ermee krijgt.
Raptor
In deze thesis werd bij de berekeningen het model van de Raptor gebruikt. Met deze ballon werd
nogmaals een ballondilatatie , deze keer vertrekkend van de opgevouwen toestand. Door het
ontplooien treden er dynamische effecten op die te zien zijn in Figuur 62. Hierbij werd geen demping
in rekening gebracht.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
63
Figuur 62: De druk-diameterkrommen van de producent en van de controleberekening
4.1.4.4.2 Met uiteinden
Hoewel het model zonder de uiteinden reeds zijn doeltreffendheid heeft bewezen, voldoet het niet
echt aan de werkelijkheid. Tot nu toe werden de uiteinden verwaarloosd omdat de geometrie te
complex was om te tekenen in Abaqus. Door gebruik te maken van pyFormex en een
coördinatentransformatie beschreven door Laroche et al. [51] is het nu wel mogelijk om deze
geometrie vlot te creëren. Daarom werd de optie om een ballon met uiteinden te simuleren in het
script ingebouwd.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
64
Figuur 63: Ballonuiteinde (versie 1)
De eerste berekeningen met deze ballon stuitten echter op enkele problemen. De
coördinatentransformatie wijzigt de vorm van de elementen. Deze vervorming wordt daarna in
Abaqus gezien als een spanningsloze begintoestand. Dit probleem is merkbaar in de overgang tussen
het cilindrisch deel en het conische einde.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
65
Figuur 64: Geëxpandeerde ballon (versie 1)
In dit contactvlak vertoont de ballon drie uitstulpingen. Een eerste verbetering werd bekomen door
een tweede coördinatentransformatie uit te voeren op het ballonuiteinde. De transformatie voert
een wringbeweging uit op het uiteinde. Hiermee wordt de maximale vervorming van de elementen
verminderd. De totale vervorming wordt nu verdeeld aan beide zijden van de vouw.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
66
Figuur 65: Ballonuiteinde (versie 2)
Hoofdstuk 4 De preprocessor
67
Figuur 66: Geëxpandeerde ballon
Hoewel er nu dubbel zoveel uitstulpingen zijn, zijn de zones waarin ze een invloed hebben een stuk
kleiner. De ballon wordt hierdoor sneller cilindrisch. Ook zijn de spanningen veel uniformer verdeeld
over de omtrek.
Een tweede probleem komt pas tot uiting als de druk-diameterkromme bekeken wordt.
Figuur 67: Druk-diameterkromme voor de ballon met uiteinde
Hoofdstuk 4 De preprocessor
68
De diameter is voor alle drukken te klein. Een eerste poging toonde aan dat de elasticiteitsmodulus
slechts weinig invloed heeft. De oorzaak van dit verschijnsel werd dan ook gezocht in het opvouwen
van de ballon. Het opvouwen van de ballon is een operatie die op de knopen wordt toegepast.
Bijgevolg is het een discontinu proces. De elementen zijn rechte lijnen tussen de knopen. Hierdoor
verschilt de uiteindelijke geometrie van deze die in de transformatie beoogd wordt. Dit wordt
duidelijker in de onderstaande schets:
Figuur 68: Afsnijden van hoeken door transformatie
De transformatie kan de hoeken afsnijden in het model, waardoor de onbelaste omtrek van de ballon
vermindert en er dus een te kleine diameter wordt opgemeten. In onderstaande figuur waren alle
elementen even lang voor de transformatie uitgevoerd werd. Het kortere element toont dus aan dat
er wel degelijk een stuk is afgesneden.
Figuur 69:Afgesneden hoeken ballon (versie 2)
Er werd een poging gedaan om ook dit probleem te verhelpen. Dit gebeurde door te zorgen dat bij
het aanmaken van de mesh een knopenlijn op de vouw ligt. Dit gebeurde wel enkel voor het centrale
gedeelte waar de vouw op een vaste plaats ligt.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
69
Figuur 70: Ballon (versie 3)
Bij deze derde versie horen de volgende druk-diameterwaarden.
Figuur 71: Druk-diameterkromme voor de ballon met uiteinde
Deze derde versie wijkt het minst af van de gegevens van de producent. Bij de hogere drukken
worden echter duidelijk grotere diameters opgemeten. Door aandachtig de vervormingen te bekijken
werd ook hiervoor een verklaring gevonden. Door de heel kleine afstand tussen de twee elementen
die samenkomen in de vouw treedt er in Abaqus een automatische correctie op.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
70
Figuur 72: De onbelaste geometrie: De inputfile (links) en na de abaquscorrectie (rechts)
Deze correctie is niet beperkt tot de locatie van de vouw maar heeft een invloed op een groot aantal
elementen. Dit verschijnsel kan duidelijk een kleine toename in onbelaste omtrek verklaren.
Voor dit probleem was de oplossing eenvoudig: het lichtjes herschalen van de ballon met een factor
van 0,96. In het normale werkingsgebied van 1 N/mm² tot 1,5 N/mm² is de druk-diametergrafiek
ongeveer evenwijdig aan de waarden van de producent waardoor het vermoeden bestaat dat door
herschalen de vorm van de kromme behouden zal blijven terwijl ze lichtjes daalt op de diameteras.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
71
Figuur 73: Druk-diameterkromme voor de ballon met uiteinde
De resultaten van deze vierde versie van de ballon liggen duidelijk het dichtst bij de waarden van de
producent. Voor de berekeningen werd echter met de derde versie gewerkt. Deze keuze werd
gemaakt om de invloed van de willekeurige herschaling uit te schakelen. Deze schalingfactor zal
namelijk verschillend zijn voor iedere stent daar de inwendige diameter van de stent de vorm van de
ballon bepaalt.
4.2 De Preprocessor (stentanalysis.py)
De volledige preprocessor wordt gestuurd vanuit het centrale script stentanalysis.py. Het uitvoeren
van dit script resulteert enkel in het verschijnen of vernieuwen van het menu stentanalysis.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
72
Figuur 74: Het menu “Stent Analysis” in pyFormex
Dit menu bevat de volgende opties:
Geometrie aanmaken
Import model
Roll up Beamstent
Create mesh Controle mesh
Control mesh 1: edgeRatio
Control mesh 2: equiAngleSkew Materials
Materials o Create new materialsDB o Add new material o Show current materialsDB
Create Input files
Create Geometry Input Files o Create a Solid Geometry o Create a Beam Geometry o Create a Solid Geometry with Expansion Balloon o Create a Beam Geometry with Expansion Balloon o Create Balloon
Create Input files o Create Cylindrical Expansion: Solid o Create Cylindrical Expansion: Beam o Create Balloon Expansion: Solid
Hoofdstuk 4 De preprocessor
73
o Create Balloon Expansion: Beam o Create Flexibility: Solid o Create Flexibility: Beam o Create Cylindrical Expansion with Radial Strength: Solid o Create Cylindrical Expansion with Radial Strength: Beam o Create Balloon Expansion with Radial Strength: Solid o Create Balloon Expansion with Radial Strength: Beam
Draw functie
Draw mesh
Draw mesh unrolled
Draw control 1
Draw control 2 Algemene functies
Reset
Close
In de volgende paragraaf worden deze functies, hun werking en hun relevatie verklaard.
4.2.1 Geometrie aanmaken
4.2.1.1 Import Model
Dit is de beginfunctie van het script. Deze functie importeert een stentontwerp. Er zijn twee totaal
verschillende manieren om dit te doen.
De eerste mogelijkheid bestaat erin een python-script te selecteren, bijvoorbeeld createCypher.py.
De functie zal dit script uitvoeren en daarna proberen het ontwerp en de nodige parameters te
importeren. Het script moet hiervoor een centerlijn van een stent tekenen en de volgende
parameters exporteren: nodes, elems, fileName, D, Di, De, Rings, n, Links, w1, w2, n2, n1, h, m,
Material en Prop.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
74
Naam Beschrijving
nodes De coördinaten van de knopen
elems De connectiviteit van de knopen
fileName De bestandnaam die aan de Inputfile gegeven zal worden
D De gemiddelde diameter
Di De interne diameter
De De externe diameter
Rings Het aantal ringen
n Het aantal lussen per ring
Links Het aantal verbindingen tussen 2 ringen
w1 De breedte van de struts met property 1
w2 De breedte van de struts met property 2
n2 Het aantal elementen over de breedte van property 1
n1 Het aantal elementen over de breedte van property 2
h De hoogte van alle struts
m Het aantal elementen over de hoogte
Material De naam van het materiaal
Prop Een lijst van de property nummers
Tabel 20: De te exporteren gegevens
Al deze parameters dienen onder de naam ’stent’ geëxporteerd te worden. Zoals reeds in hoofdstuk
3 uitgelegd werd, dienen deze scripts aan enkele voorwaarden te voldoen om het sweep-algoritme
erop te kunnen toepassen.
De tweede manier om een geometrie te importeren is het inlezen van een formex. Deze werkwijze
werd ontwikkeld om de beperkingen in geometrie, opgelegd door het sweep-algoritme, te omzeilen.
De geometrie wordt apart getekend en daarna weggeschreven naar een ‘.formex’-bestand. Dit werd
ondermeer gedaan voor de Endeavor, omdat zo problemen met de verbindingen worden vermeden.
De verbindingen waren te kort om te sweepen en het sweepen van bifurcaties is voorlopig enkel
mogelijk met rechthoekige secties.
Er ontstaan door deze werkwijze echter enkele andere problemen. Bij het inlezen van een formex
kunnen geen bijhorende parameters ingelezen worden naar het stentanalysis-script. Bijgevolg dient
de gebruiker deze zelf nog apart in te geven via een widget. Voor een volumemesh zijn de
bestandsnaam en de interne diameter van groot belang. Deze laatste is nodig voor het positioneren
van de ballon en cilinder die bij expansie gebruikt worden. De andere parameters zijn vooral nodig
voor het bepalen van de dwarsdoorsnede van de struts. Bijgevolg dienen deze parameters enkel
ingegeven te worden als de formex bestaat uit balkelementen.
Deze werkwijze biedt uitgebreidere mogelijkheden dan het werken met een script. Enkele
knelpunten voor het meshen kunnen vermeden worden. Deze functie zou in de toekomst kunnen
uitgebreid worden om met ingescande geometrieën te werken. De gebruiker dient echter wel
aandachtig te zijn. De functies roepen niet automatisch de correcte voorgaande stappen op. De
gebruiker dient zelf de verschillende functies te selecteren in het menu. De gebruiker dient eerst de
geometrie te importeren, daarna kunnen alle functies, die met volume-elementen werken, gebruikt
worden. Bovendien is de wachttijd langer door het inlezen van de formex en door het maken van een
Hoofdstuk 4 De preprocessor
75
eindige-elementenmodel (.feModel()) en is de geometrie enkel parametrisch aan te passen in het
script dat de formex aangemaakt heeft en niet rechtstreeks vanuit de preprocessor.
Daar deze optie duidelijk minder efficiënt is dan werken met een script dient ze beperkt te blijven tot
de gevallen waar de normale werkwijze op problemen stoot. Aangezien de te verwachten problemen
bij het sweepen liggen zal het in de meeste gevallen mogelijk zijn om voor balkelementen een script
te gebruiken.
Samengevat kan aangenomen worden dat men werken met een formex het best zoveel mogelijk
beperkt door deze methode uitsluitend bij volume-elementen te gebruiken. Balkelementen zullen
immers meestal via een script mogelijk zijn en vergen te veel manuele ingave van parameters.
4.2.1.2 Roll Up Beamstent
Nadat de vlakke geometrie van balkelementen is geïmporteerd uit een script, rolt deze functie ze op tot een cilindrisch model.
4.2.1.3 Create mesh
Zoals de naam reeds doet vermoeden is het deze functie die de overgang maakt van de vlakke
centerlijn naar de opgerolde hexaëdermesh. Dit gebeurt door middel van het sweep-algoritme. Dit
houdt in dat er per doorsnede een rechthoekige dwarsdoorsnede van de strut gemaakt wordt.
Hiervoor zijn de parameters w1,w2,h,n1,n2 en m nodig. Deze dwarssectie wordt langs de centerlijn
verschoven. De hexaëders ontstaan door twee vierkantjes uit twee opeenvolgende dwarssecties te
verbinden. Daarna worden ook nog de bifurcaties gemesht.
Het sweepen resulteert meteen in de knopen en elementen in eindige elementenformaat. Dit heeft
het voordeel dat de functie ‘.feModel()’ niet meer nodig is en bij uitbreiding het creëren van de
inputfiles heel snel kan gebeuren. Voor grafische doeleinden worden er twee formexen gemaakt: een
opgerolde mesh en een ontrolde mesh.
4.2.2 De controlefuncties
Deze functies roepen de hierboven beschreven definities op voor het controleren van de gecreëerde
mesh. De resultaten worden tekstueel afgedrukt in pyFormex. Er wordt niet automatisch een
grafische voorstelling gemaakt van de slechte elementen. Daarvoor is een aparte knop in het menu
voorzien, omdat het tekenen in een oudere versie van pyFormex lang kan duren. De grafische
voorstelling gebeurt door bovenop de mesh de slechte elementen te tekenen. Deze zijn het best
zichtbaar door de mesh transparant te tekenen.
4.2.3 Materials
Dit (kleine) submenu bevat 3 functies uit het bestand materials.py. De eerste is ‘Create a new DB’.
Deze functie moet eenmalig uitgevoerd worden om er voor te zorgen dat de database geschreven is
en gebruikt kan worden. Daarna is het onnodig deze functie nog te gebruiken. Er is tevens de
mogelijkheid een nieuw materiaal aan de database toe te voegen. Natuurlijk is het ook mogelijk de
database weer te geven.
Behalve het eenmalig aanmaken van de database is het verder niet nodig dit menu te gebruiken. Bij
alle functies die inputfiles maken wordt er gevraagd een materiaal te kiezen. Indien het materiaal
Hoofdstuk 4 De preprocessor
76
niet in de database voorkomt, kan het op dat ogenblik nog ingegeven en toegevoegd worden aan de
database.
4.2.4 Algemene functies
Verder zijn er nog twee algemene functies. De resetfunctie kan nuttig zijn als de gebruiker nog aan
zijn geometrie werkt, zoals het optimaliseren van de mesh. Deze functie verwijdert alle bestaande
geometrieën, waardoor alle functies automatisch de voorgaande geometrische stappen zullen
oproepen in plaats van op de bestaande geometrie te werken.
Hieronder een voorbeeld ter verduidelijking:
De gebruiker heeft net de controle EdgeRatio gebruikt en wil zijn mesh verbeteren. Hij gebruikt de
reset functie en vervolgens de controle functie. Het script zal automatisch een geometrie importeren
en daarvoor de mesh aanmaken (waarbij de gebruiker opnieuw de mogelijkheid krijgt de mesh aan
te passen) en de controle doorvoeren.
Ten slotte heeft het menu ook een ‘close’ waarmee de gebruiker het menu kan afsluiten.
4.2.5 De uitvoerfuncties
Eenmaal de geometrie is gecreëerd wil de gebruiker natuurlijk overgaan op berekeningen. Voor dit
doel is dan ook een relatief groot aantal functies voorhanden in het menu. Deze functies maken een
volledige Abaqus-inputfile (met uitzondering van de geometrie files). Deze file kan meteen op de
rekencluster geplaatst worden. De Abaqus CAE is dus niet meer nodig. In sommige gevallen, onder
andere voor het gebruik van de postprocessor, worden er zelfs opties gebruikt die (nog) niet in de
Abaqus CAE beschikbaar zijn en zou het gebruik van de Abaqus CAE leiden tot het negeren van deze
opties.
De gebruiker heeft voor iedere berekening de keuze tussen balkelementen en volume-elementen. De
keuze tussen beide dient gebaseerd te worden op een afweging tussen kwaliteit en tijd. De volume-
elementen zullen een beter beeld geven van de spanningen en ook realistischere contacten
simuleren. Bij de balkelementen hoopt de gebruiker sneller een voldoende nauwkeurige schatting te
kunnen maken om deze daarna verder te kunnen optimaliseren.
Alle berekeningen worden uitgevoerd met Explicit. Deze keuze was noodzakelijk om de stabiliteit van
de berekening te verzekeren en de uitgebreide contactdefinities mogelijk te maken. Er wordt
namelijk gebruik gemaakt van de contactdefinitie “All With Self”. Deze definitie zoekt automatisch
alle mogelijke contactoppervlakken. Het script moet deze dus niet meer zoeken en wegschrijven. De
optie “All with self” is enkel bruikbaar in Explicit.
Daarnaast, indien men toch met contacten tussen eigen gedefinieerde oppervlakken werkt, kan
Abaqus dit contact niet opdelen. Hierdoor kan de berekening dus niet verdeeld worden over
meerdere processoren en gaat bijgevolg een groot deel van de tijdswinst verloren.
Al deze functies maken automatisch de nodige nodesets aan en zorgen dat voor deze nodesets de
bijhorende resultaten worden weggeschreven naar een “.fil”-bestand. Indien de gebruiker deze
resultaten wil gebruiken in de automatische postprocessor dient hij de optie “Create Postfile” aan te
Hoofdstuk 4 De preprocessor
77
vinken. Hiermee wordt er een klein scriptje gemaakt dat enkele parameters bevat en dat nodig is als
invoer van het ‘poststentanalysis.py’-script.
4.2.5.1 Balkelementen
Bij het aanmaken van inputfiles met balkelementen worden er twee belangrijke functies
opgeroepen. De eerste is de addNode-functie. Deze functie plaatst per element van de formex een
extra knoop in het midden. Hierdoor kan gebruik gemaakt worden van het elementtype B32. Dit is
een kwadratisch element en zal hierdoor een beter resultaat geven dan het lineaire element met
twee knopen.
Eens dit is gebeurd, wordt er gestart met het aanmaken van de eigenschappen. Door de soms
complexe structuren was het om de algemeenheid te behouden noodzakelijk om de oriëntatie per
element te bepalen.
Bij grote modellen leidt dit tot meer dan 1000 dwarssectie-eigenschappen.
4.2.5.2 Volume-elementen
Bij de berekeningen met volume-elementen wordt, indien dit nog niet gebeurd is, eerst een mesh
aangemaakt. Hierdoor zal het automatisch iets langer duren om een inputfile met volume-elementen
te schrijven in vergelijking met balkelementen. Dit verschil van enkele seconden is echter te
verwaarlozen ten opzichte van de totale rekentijd. Voor de berekeningen wordt er gebruik gemaakt
van C3D8R-elementen.
4.2.5.3 Ballon
Bij het aanmaken van het eindige-elementenmodel met een ballon zonder uiteinden krijgt de
gebruiker de keuze tussen twee mogelijke randvoorwaarden. Een eerste is het vasthouden van de z-
coördinaat. De knopen kunnen in hun vlak bewegen en dus kan de ballon in zijn geheel ontvouwen.
De tweede optie is het opleggen van een verplaatsing in de z-richting volgens een in te geven
amplitude. Dit simuleert de longitudinale rek die veroorzaakt wordt door de ballonuiteinden.
Bij de ballon met uiteinden is er geen keuze. De uiteinden zijn fysiek vastgemaakt aan de katheter en
dienen dus ook een volledig vaste randvoorwaarde opgelegd te krijgen.
Na enkele eerste berekeningen bleek dat de oriëntatie van de membraanelementen waaruit de
ballon is opgebouwd niet constant is. Dit is afhankelijk van de doorloopzin van de gesorteerde
dwarssectie van de ballon. Daarom werd er controle ingebouwd die aan de hand van de hoek tussen
de oppervlaknormaal en de radiale as van het cilindrisch assenstelstel het teken van een inwendige
druk bepaalt .
Voor de berekeningen wordt de ballon gemodelleerd met menbraanelementen. Voor de ballon
zonder uiteinden en het centrale deel van de ballon met uiteinden zijn dit M3D4-elementen. Voor de
ballonuiteinden worden M3D3-elementen gebruikt.
Hoofdstuk 4 De preprocessor
78
4.2.5.4 Create Geometry Input Files
Zoals de naam reeds doet vermoeden schrijven deze functies enkel de geometrieën weg naar de
inputfile. Dit kan nuttig zijn voor iemand die in de CAE een berekening wil aanmaken die nog niet
geprogrammeerd is. Er kan ook gekozen worden om niet enkel de stent, maar de stent samen met
een ballon en een katheter te exporteren.
De vijfde functie in dit menu wijkt af van de andere vier. De functie ‘Create Balloon’ maakt namelijk
wel een inputfile die de volledige berekening bevat. Het is een inputfile die de vrije expansie van de
ballon berekent zonder aanwezigheid van een stent. Toch vraagt het script een stentgeometrie te
selecteren. Dit is nodig om de lengte en maximale diameter van de ballon te bepalen. De lengte kan
evenwel verkort worden door de parameter ‘overLengthBalloon’ negatief te kiezen. Deze functie kan
benut worden om een model van een ballon, met of zonder uiteinden, te valideren.
4.2.5.5 Create Cylindrical Expansion
In deze berekening wordt de stent cilindrisch opengeduwd. Dit gebeurt door een cilinder
verplaatsingsgestuurd te expanderen. Deze berekening stemt niet overeen met de werkelijke
expansie maar biedt wel de mogelijkheid snel behoorlijk wat bij te leren over het ontwerp. De
werkelijke expansie met de ballon zal in de laatste fase, nadat de ballon ontplooid is, ook cilindrisch
gebeuren. Het is dus aan te nemen dat deze berekening in eindtoestand niet zo sterk zal verschillen
van de werkelijke expansie.
Deze vereenvoudiging kan tijdens het ontwerp toch gebruikt worden om de meeste geometrische
karakteristieken te bepalen. Enkel het effect van dogboning wordt volledig onderdrukt. Door niet te
werken met een ballon wordt de rekentijd gevoelig verkort. Het is dus zeker aan te raden om tijdens
optimalisatie deze berekeningen te gebruiken.
In deze berekening wordt ook standaard de recoilfase uitgevoerd. De cilinderdiameter neemt terug
af en de stent ondergaat hierbij ook een kleine elastische terugval.
4.2.5.6 Create Balloon Expansion
Zoals reeds hierboven vermeld kan de cilindrische expansie niet alle effecten simuleren. Daarom zal
het soms nodig zijn deze gedetailleerde berekening te gebruiken. Door de langere rekentijd is het
aan te bevelen deze enkel te gebruiken om ballonafhankelijke effecten te bestuderen, zoals
dogboning en de invloed van de plooivorm van de ballon op de strutverdeling.
Bij de ballonexpansie wordt eerst een ballon en bijhorende katheter getekend. Deze ballon kan een
grote invloed uitoefenen op de expansie. Er zijn dan ook een groot aantal opties beschikbaar voor de
ballon. De belangrijkste zijn het aantal plooien, de onbelaste diameter en het al dan niet in rekening
brengen van de ballonuiteinden.
Naast de ballon moeten ook materialen gekozen worden om aan de ballon en de stent toe te
kennen. Het materiaal van de ballon is vereenvoudigd tot een lineair elastisch materiaal. Het bepalen
van de karakteristieken is hierboven reeds beschreven. Verder is er ook nog een keuze over de
amplitude van de druk. Standaard zal het script een lineaire amplitude nemen bepaald door de druk
en de tijdsstap. Om dynamische effecten te minimaliseren kan het echter noodzakelijk zijn om voor
een periode, waar de diameter plots toeneemt, een tragere toename van de druk te nemen. Deze
Hoofdstuk 4 De preprocessor
79
periode kan eenvoudig gevonden worden door eerst een keer per geometrie te rekenen waar de
trage druktoename reeds start bij 0 N/mm² en doorloopt tot een punt waarop de stent zeker zal
open gegaan zijn. Op deze wijze hebben traagheidseffecten geen invloed.
Er is voor gekozen geen recoil te laten plaatsvinden. Deze eigenschap wordt al bepaald bij de snellere
cilinderexpansie en zou de ballonexpansie nodeloos vertragen.
4.2.5.7 Create Flexibility
Deze berekening is het buitenbeentje in de groep. Het betreft namelijk geen expansie. Bij deze
berekening wordt de stent verbogen. Hierbij wordt het reactiemoment opgemeten.
Dit reactiemoment in functie van de relatieve hoekverdraaiing is een maat voor de flexibiliteit van de
stent.
De stent wordt aan beide uiteinden vastgehouden door een stijve structuur die eraan wordt
vastgemaakt door middel van samenvallende knopen. Deze stijve structuur werd opgebouwd uit
vlakke driehoeken (R3D3) omdat Abaqus Explicit geen stijve balkelementen kent. De
randvoorwaarden worden in de centrale knoop van deze stijve structuur opgelegd. Van het eerste
uiteinde worden alle vrijheidsgraden vastgelegd behalve natuurlijk de opgelegde rotatie. Het tweede
uiteinde ondergaat een tegengestelde rotatie en kan in longitudinale richting vrij bewegen. Er
worden dus een mes- en een rolopleggingen gesimuleerd.
Voor deze berekening worden ook twee extra parameters gevraagd: de opgelegde rotatie en een
hoek. Deze stent wordt over die hoek geroteerd om zijn omwentelingsas. Deze optie was
noodzakelijk aangezien het deze keer geen axiaal symmetrisch probleem is en er dus een variatie kan
ontstaan door rotatie om deze as.
4.2.5.8 Create Cylindrical Expansion with Radial Strength
Deze berekening heeft dezelfde eigenschappen als de eerder besproken cilinderexpansie. Er worden
echter twee stijve vlakken, gemodelleerd als twee R3D4 elementen, boven en onder de stent
getekend die na de recoilfase naar elkaar toe bewegen en zo de stent platdrukken. Uit deze
berekening kan een grafiek afgeleid worden die de diametervermindering in functie van de kracht
uitdrukt. Dit is dus een maat voor de radiale sterkte. Hoewel deze berekening ook alle resultaten van
de eenvoudig cilindrisch expansie oplevert, is ze toch niet noodzakelijk beter. Door de extra acties is
de nodige tijdsstap veel groter dan bij de eenvoudige expansie: 5 ms in vergelijking met 2,5 ms. De
rekentijd zal dus verdubbelen en dus is het aan te raden niet nodeloos voor deze berekening te
kiezen.
4.2.5.9 Create Balloon Expansion with Radial Strength
In deze berekening wordt de stent geëxpandeerd door een opgevouwen ballon waarna hij door twee
platen wordt platgedrukt. Deze berekening mag dan wel correcter zijn dan de vorige, toch is het niet
aan te bevelen om deze berekening te gebruiken tijdens een optimalisatie. Alle parameters kunnen
uit de afzonderlijke berekeningen gehaald worden. Deze berekening kan wel een mooi totaalbeeld
geven van de geoptimaliseerde stent. Voor deze berekening werd dan ook geen postprocessor
ontworpen.
80
Hoofdstuk 5
De postprocessor
5.1 PostStentAnalysis.py
Nadat de berekeningen uitgevoerd zijn, dienen de bekomen resultaten te worden geïnterpreteerd. In
Abaqus kan men rechtstreeks verplaatsingen en spanningen opvragen. Voor de stents zijn we echter
meer geïnteresseerd in enkele afgeleide waarden zoals de recoil, dogboning, foreshortening ,etc.
Hoewel het perfect mogelijk is deze resultaten manueel uit Abaqus te halen is dit een behoorlijk
tijdrovend werk. Daarom werd deze postprocessor ontwikkeld.
De postprocessor heeft twee gegevens nodig: een ‘_post.py’-script en een ’_postmain.py’-script. Het
‘_postmain.py’-script wordt optioneel door het script stentanalysis.py aangemaakt bij het aanmaken
van de inputfiles. Het dient om enkele gegevens van de preprocessor door te geven aan de
postprocessor die moeilijk uit het resultatenbestand kunnen gehaald worden. In het bijzonder valt
het berekeningstype hieronder.
Een tweede nodige gegeven zijn natuurlijk de Abaqusresultaten. De inputfile zal automatisch een
‘.fil’-bestand aanmaken met de resultaten. Door in de ‘.request’-file de regel ‘postproc=postabq’ te
plaatsen wordt dit ‘.fil’-bestand automatisch door de cluster reeds vertaald naar een ‘_post.py’-
script. Hierin zijn alle resultaten van de berekening weggeschreven. Deze omzetting kan ook manueel
vanuit de postprocessor gebeuren. Deze omzetting werd geïmplementeerd door professor
Verhegghe en dient samen gebruikt te worden met een nieuwe plugin ‘fePost.py’.
De specifieke postprocessor voor de stentberekeningen is te vinden in het script
PostStentAnalysis.py. Dit script creëert het menu zoals afgebeeld in Figuur 75: Het menu van de
postprocessor. Dit script is gebaseerd op het script ‘postproc-menu.py’ dat algemene resultaten kan
verwerken.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
81
Figuur 75: Het menu van de postprocessor
Input van gegevens
Open Postproc Database
Play postmain script
Translate Abaqus .fil result file
Verwerking van de gegevens
Show Geometry
Create Postprocessing
Create multiple calculations plots
Menu sluiten
Close menu
5.1.1 Open Postproc Database
Deze functie opent een script dat Abaqusresultaten bevat, een ‘_post.py’-bestand, en voert het script
uit. Het resultatenscript exporteert automatisch zijn resultaten, waarna deze functie ze voor alle
berekeningen importeert onder de naam ‘DB’.
5.1.2 Play postmain script
Deze functie voorziet de tweede noodzakelijke input. De gebruiker selecteert hier een script dat
uitgevoerd wordt. De ‘_postmain.py’-scripts exporteren hun data ook. Dit gebeurt onder de naam
‘Data’.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
82
5.1.3 Translate Abaqus .fil result file Indien de gebruiker enkel over een ‘.fil’-bestand beschikt kan hij deze nog eerst omzetten in een
‘_post.py’-script en hiermee verder werken. Bij berekeningen uitgevoerd op de Bumper-cluster is het
eenvoudiger deze omzetting te laten uitvoeren door de cluster. Dit kan door in het ‘.request’ –
bestand ‘postproc=postabq’ te plaatsen.
5.1.4 Show Geometry Deze functie toont de initiële geometrie van het model. Deze wordt afgeleid uit de modelgegevens in
het ‘_post.py’-script. Ze biedt de gebruiker de mogelijkheid grafisch het model te bekijken. De
gebruiker kan zo enkele duidelijke parameters controleren zoals het stenttype en het aantal ringen
waaruit het model is opgebouwd.
5.1.5 Create postprocessing Dit is de hoofdfunctie van de postprocessor. De functie begint met het vragen naar de twee nodige
gegevens. Daarna wordt het model afgebeeld.
Het hoofdbestanddeel van deze functie is het afleiden van de parameters uit de Abaqusresulaten. De
parameters worden voor ieder increment, dat in het ‘.fil’-bestand is neergeschreven, bepaald. De
bepaalde parameters zijn afhankelijk van het type berekening. Voorlopig zijn er 4 berekeningen
voorzien in de functie: flexibiliteitstest, cilindrische expansie, ballonexpansie en cilindrische expansie
met radiale sterktetest.
De mogelijke resultaten zijn in onderstaande tabel weergegeven.
Naam Beschrijving
inc Het increment nummer
time De tijd
length De lengte van de stent op de gegeven tijd
diameter De diameter van de stent op de gegeven tijd
pressure De druk op het inwendige van de ballon
foreshortening De procentuele verkorting van de stent
dogboning De procentuele dogboning van de stent
RF2 De kracht uitgeoefend door de vlakken op de stent
RM1 Het reactiemoment nodig om de stent te verbuigen
relative rotation De relatieve hoekrotatie
relative diameter changes De verandering van de diameter door radiale sterktebeproeving
Tabel 21: De gegevens die in het databestand terug te vinden zijn
Nadat deze waarden voor ieder increment bepaald zijn worden ze in een ‘.data’-bestand opgeslagen.
In dit bestand wordt voor de waarden die niet bepaald kunnen worden voor de gegeven berekening
een kolom nullen weggeschreven (bvb. bij een flexibiliteitstest zijn er geen waarden voor de druk in
de ballon). Op deze manier heeft iedere parameter een vaste kolom waardoor de databestanden
verder door de algemene tekenfunctie kunnen gebruikt worden.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
83
Nadat de functie dit data bestand heeft gemaakt worden er enkele bij de berekening passende
grafieken aangemaakt met gnuplot. Het tekenen van deze grafieken gebeurt aan de hand van de
waarden in het databestand.
De grafiektypes worden aangeduid met twee letters. De eerste letter duidt de variabele op de x-as
aan, de tweede de variabele op de y-as.
Volgende grafieken worden automatisch aangemaakt.
Flexibiliteitstest
RM Het reactiemoment in functie van de opgelegde rotatie
Cilindrische expansie
DS De foreshortening in functie van de diameter
Ballonexpansie
PS De foreshortening in functie van de druk
PD De diameter in functie van de druk
PG De dogboning in functie van de druk
Cilindrische expansie met radiale sterktetest
DS De foreshortening in functie van de diameter
FC De relatieve diametervermindering in functie van de kracht
Tabel 22: De automatisch gegenereerde grafieken
5.1.6 Create multiple calculations plots Hoewel de vorige functie iedere berekening kan behandelen dient in het kader van de postprocessor
ook de mogelijkheid te bestaan om meerdere berekeningen te vergelijken met elkaar. Dit kan zijn om
meerdere stents met elkaar te vergelijken of om bij een optimalisatie de verschillende stappen na te
gaan.
Deze functie biedt de gebruiker deze mogelijkheid. De gebruiker wordt gevraagd om een of
meerdere databestanden te selecteren en een grafiektype in te geven. Het script zal voor iedere
datafile een curve tekenen op eenzelfde grafiek. De verschillende berekeningen zijn dus zeer
eenvoudig te vergelijken.
De gebruiker dient één of meerdere databestanden te selecteren, het grafiektype te kiezen en een
bestandsnaam toe te kennen aan de grafiek die getekend zal worden. Het grafiektype wordt bepaald
door twee letters, een voor elke as.
Voor de grafiek kan men kiezen uit deze variabelen.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
84
Positie Letter Label
1 I Increment Number
2 T Time [s]
3 L Stent Length [mm]
4 D Stent Diameter [mm]
5 P Pressure [N/mm2]
6 S Foreshortening [%]
7 G Dogboning [%]
8 F Reaction Force [N/mm]
9 M Reaction Moment [Nmm]
10 R Relative Rotation [rad/mm]
11 C Relative diameter change [%]
Tabel 23: De mogelijke grafiekparameters en hun as-labels
Sommige parameters worden niet bepaald voor iedere berekening. In het databestand wordt dan
een kolom nullen neergeschreven. Bijgevolg zullen als de gebruiker zo’n verkeerde parameters kiest
alle waarden op een as liggen.
Door in deze functie slechts 1 databestand te selecteren kan de gebruiker een willekeurige grafiek
tekenen die niet automatisch werd aangemaakt bij de postprocessing van de berekening.
5.2 De resultaten
Hieronder zijn afbeeldingen weergegeven van enkele van de berekeningen. Om de bestandsgrootte
te beperken worden niet alle resultaten weggeschreven in het ‘.fil’/’_post.py’-bestand maar enkel
deze die nodig zijn voor het uitvoeren van de postprocessor. De afbeeldingen zijn dan ook gemaakt
door de ‘.odb’-file te openen in Abaqus CAE. De grafieken weegegeven in dit hoofdstuk zijn het
resultaat van de ontwikkelde postprocessor. Verder dient benadrukt te worden dat voor de
berekeningen met de AMS zowel op vlak van de geometrie als van de materiaaleigenschappen geen
exacte gegevens beschikbaar waren en de resultaten dus slechts als een indicatie mogen beschouwd
worden.
5.2.1 Flexibiliteit Hieronder zijn afbeeldingen weergegeven uit de flexibiliteitsberekening van de Multi-Link Penta
uitgevoerd met volume-elementen. De afbeeldingen zijn gemaakt door de ‘.odb’-file te openen in
Abaqus CAE.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
85
Figuur 76: De flexibiliteitsberekening toegepast op de Multi-Linik Penta
Deze afbeeldingen tonen ook het optreden van het flaring verschijnsel. Doordat dit een ‘open cel’-
ontwerp is zijn sommige bochten niet verbonden met de volgende ring. Hierdoor buigen ze niet mee
met de globale stent. Ze vormen uitwendig of inwendig (naargelang de zijde van de stent)
uitstekende elementen. De bochten die naar binnen doordringen kunnen dit in werkelijkheid niet
doen door de aanwezigheid van de ballon en katheter. De flexibiliteit is immers vooral van belang bij
het ter plaatse brengen van de stent. Op dat moment bevindt de gekrompen stent zich nog op de
Hoofdstuk 5 De postprocessor
86
opgevouwen ballon. Een uitgebreider model zou ook de aanwezigheid van de ballon en katheter
kunnen simuleren.
De postprocessor stelt een grafiek op die het nodige reactiemoment bepaalt in functie van de
opgelegde relatieve hoekverdraaiing. Deze relatieve hoekverdraaiing wordt bepaald door de
opgelegde rotatie aan de eindvlakken te delen door de lengte ven de stent.
Een voorbeeld van dit type grafiek is hieronder weergegeven. Het betreft een flexibiliteitsberekening
van de Cypher met een model bestaande uit twee ringen.
Figuur 77: Flexibiliteitsberekening van de Cypher
Hoofdstuk 5 De postprocessor
87
Figuur 78: De resultaten voor de flexibiliteit van de Cypher
In de grafiek zijn duidelijk drie zones te herkennen. Een eerste zone, tot een relatieve rotatie van
0,02 rad/mm, is het elastisch gebied. In dit gebied zijn de spanningen is de stent kleiner dan de
vloeigrens. Het reactiemoment neemt snel toe bij relatief beperkte rotatie.
Een tweede gebied tussen een rotatie van, 0,02 rad/mm en 0,13 rad/mm, is het plastische gebied. In
dit gebied vloeit de stent lokaal en neemt het reactiemoment slechts weinig toe bij een grote
toename van rotaties. De geringe toename van het moment is te verklaren door de versteviging van
het materiaal.
Het derde gebied treedt op bij rotaties groter dan 0,13 rad/mm. Vanaf dit moment treedt er contact
op tussen de struts. Hierdoor komt er extra weerstand tegen het verbuigen en neemt het moment
dan ook sneller toe. Niet iedere stent zal deze derde zone vertonen. Het ogenblik van het contact kan
variëren, net als de weerstand die het oproept. Het is dus mogelijk dat er contact optreedt maar dat
dit niet te zien is op de grafiek.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
88
Figuur 79: Het contact tijdens verbuigen van de stent
5.2.2 Cilindrische expansie Een voorbeeld van de cilinder expansie van de Tenax is hieronder weergegeven.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
89
Figuur 80: De cilinder expansie van de Tenax
Hoofdstuk 5 De postprocessor
90
In het databestand worden twee extra lijnen weggeschreven die de recoil en maximale
foreshortening opslaan. De postprocessor zal voor de cilindrische expansie ook slechts één grafiek
automatisch tekenen: de foreshortening in functie van de diameter. Op deze grafiek zijn zowel de
maximale foreshortening als de recoil te zien. Bij volume-elementen is de diameter de inwendige
diameter aangezien deze de vrije doorstroomopening bepaalt. Bij de balkelementen houdt de
contactdefinitie geen rekening met de hoogte van de strut en dus liggen de elementen rechtstreeks
op de cilinder. De druk wordt dus op het vlak van de balkelementen uitgevoerd. Aangezien zowel bij
de cilindrische als bij de ballonexpansie de expanderende krachten aangrijpen in dit vlak en om beide
elementtypes met elkaar te vergelijken werd gekozen om bij balkelementen de diameter van de
elementen zelf te gebruiken.
Figuur 81: De diameter-foreshortening grafiek van de Tenax
Tijdens de expansie verkort de stent initieel weinig. De struts zijn nog volgens de longitudinale
richting georiënteerd. De rotatie om een plastisch scharnier gebeurt via een cirkelboog en er zal dus
initieel slechts een heel geringe component van de verplaatsing longitudinaal gebeuren.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
91
Figuur 82: Schets strutrotatie
Het begin van de curve tot het moment van maximumdiameter kan op deze wijze verklaard worden.
Daarna valt een vermindering van diameter in de grafiek waar te nemen: de recoil. Hierbij ontstaan
in dit voorbeeld fluctuaties van de foreshortening. Deze fluctuaties zijn het gevolg van dynamische
effecten. Ze zijn duidelijker zichtbaar in de onderstaande grafiek die de foreshortening in functie van
de tijd weergeeft. Deze grafiek is geen standaard grafiek. Hij werd aangemaakt met de functie
‘Create multiple calculations plots’.
Figuur 83: De tijd-foreshorteninggrafiek van de Tenax
In Figuur 83 zijn niet alleen de fluctuaties maar ook de stabilisatieperiode zichtbaar. In deze periode
wordt de diameter constant gehouden om zo dynamische effecten van de expansie te voorkomen.
Dit is nog duidelijker te zien in Figuur 84.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
92
Figuur 84: De tijd-diametergrafiek van de Tenax
In de tijd-diametergrafiek is de opgelegde verplaatsing duidelijk te zien. Deze neemt eerst lineair toe
waarna de stabilisatieperiode volgt. Daarna volgt de enige periode van de berekening waar de
diameter niet opgelegd is: de recoil.
5.2.3 Ballonexpansie Deze berekening is een betere benadering van de werkelijke expansie. De afbeeldingen tonen de
expansie van de Cypher, uitgevoerd met balkelementen.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
93
Hoofdstuk 5 De postprocessor
94
Figuur 85: De ballonexpansie van de Cypher zonder uiteinden
Hoofdstuk 5 De postprocessor
95
Figuur 86: De ballonexpansie van de Cypher met uiteinden
Ook bij deze berekening worden in het databestand twee extra regels tekst weggeschreven. Hier
bevatten ze de maximale foreshortening en de maximale dogboning. Wegens mogelijke asymmetrie
tussen beide uiteinden van de stent moest gekozen worden welke waarde gebruikt zou worden in
het resultaat. Uiteindelijk werd gekozen om de maximale dogboning van beide uiteinden te nemen.
max
links midden
midden
rechts midden
midden
D D
DDogboning
D D
D
Hoofdstuk 5 De postprocessor
96
Daar deze berekening drukgestuurd is, worden alle plots in functie van de druk getekend. In deze
plots worden het verloop van de diameter, de dogboning en de foreshortening weergegeven.
Voorbeelden van deze grafieken zijn hieronder weergegeven. De grafieken tonen de expansie van de
Cypher met balkelementen.
Figuur 87: Druk-diametergrafiek van de Cypher
De vorm van de druk-diametergrafiek is eenvoudig te verklaren. In de beginfase drukt de nog
opgevouwen ballon tegen de stent, maar hij heeft te weinig kracht en kan daardoor enkel een
elastische vervorming oproepen. Eenmaal de druk voldoende is toegenomen om lokaal vloeien te
veroorzaken neemt de diameter sterk toe bij nagenoeg gelijkblijvende druk. In deze zone verloopt de
druktoename in functie van de tijd trager om dynamische effecten te vermijden en dit uit zich in het
dichter bij elkaar liggen van de opgemeten punten. Tijdens deze plotse toename ontvouwt de ballon
zich. Hierna is hij nagenoeg cilindrisch. Als laatste fase treedt er nog een geringe verdere toename
van de diameter op. In deze fase gebeurt de diametertoename van de ballon uitsluitend door rek en
verloopt het expanderen nagenoeg cilindrisch.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
97
Figuur 88: Druk-dogboninggrafiek van de Cypher
Er is slechts één opvallend kenmerk in de dogboninggrafiek: de piek. Deze piek treedt op in de fase
waar de snelle diametertoename gebeurt. In deze fase gaan eerst de uiteinden van de stent open,
kort daarna gevolgd door het centrale deel. Dit is ook te zien in de grafiek. Na de piek valt de
dogboning terug tot een lichtjes negatieve waarde. Dit duidt erop dat het centrale deel een lichtjes
grotere diameter vertoont dan beide uiteinden. Dit wordt waarschijnlijk veroorzaakt door
dynamische effecten waarbij het centrale deel door zijn kinetische energie tijdelijk verder opent dan
uiteinden.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
98
Figuur 89: Druk-foreshorteninggrafiek van de Cypher
Zoals reeds bij cilindrische expansie duidelijk werd is de foreshortening in grote mate afhankelijk van
de diameter. Dit is ook in Figuur 89 merkbaar. De vorm van deze grafiek is nagenoeg identiek aan
deze van de druk-diametergrafiek.
5.2.4 Cilindrische Expansie met radiale sterkte beproeving
De eerste helft van deze berekening is identiek aan de cilindrische expansie. In de tweede fase
worden echter twee stijve platen naar elkaar toe bewogen om zo de stent plat te duwen. Hieronder
opnieuw een grafisch voorbeeld, toegepast op de Multi-Link Vision.
Bij het platduwen wordt de stent ovaler en begint hij over een groter oppervlak contact te maken
met de vlakken terwijl de zijkanten zich zijwaarts verplaatsen.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
99
Hoofdstuk 5 De postprocessor
100
Figuur 90: Cilindrische expansie met radiale sterkte beproeving (In het linkerbeeld is het bovenvlak niet getekend)
De twee stijve platen worden initieel gepositioneerd aan de hand van de maximaal opgelegde
diameter van de cilinder (een marge van 20 procent is voorzien voor de struts). Ze komen pas in
beweging eenmaal de recoil heeft plaatsgevonden. De platen naderen elkaar tot 60 porcent van de
maximale diameter van de cilinder.
Bij de postprocessing worden twee grafieken automatisch gemaakt. De eerste is dezelfde als bij de
cilindrische expansie: de foreshortening in functie van de diameter. Hierbij wordt enkel het stuk van
de grafiek getekend voor het optreden van her eerste contact met de platen.
De tweede is een grafiek die de radiale sterkte aanduidt. Hij toont de relatieve diametervermindering
(volgens de y-as) in functie van de kracht per lengte in longitudinale richting.
Voor deze grafiek wordt enkel gekeken vanaf het moment dat de platen contact maken met de stent.
Dit gebied wordt gevonden door te zoeken naar een reactiekracht verschillend van nul.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
101
Figuur 91: De foreshortening in functie van de diameter.
Figuur 92: De radiale sterke van de Vision
De foreshortening resulteert in een gelijkaardige grafiek aan deze bekomen bij de cilindrische
expansie. De radiale sterkte van de Vision toont dat bij een toenemende kracht de stent steeds
sneller plat gedrukt wordt.
Bij sommige stents is dit nog veel sterker en treedt er echt bezwijken op. Een voorbeeld hiervan is de
AMS.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
102
Figuur 93: De radiale sterkte van de AMS
5.3 Vergelijkende studie
Al deze berekeningen zijn voor alle stentmodellen uitgevoerd, dit zowel met balk- en volume-
elementen, uitgezonderd voor de Endeavor en de Taxus waarvoor enkel berekeningen met volume-
elementen werden uitgevoerd. Na alle resultaten te hebben verwerkt met de postprocessor werden
voor eenzelfde berekening alle waarden in 1 grafiek geplot om een vergelijking mogelijk te maken.
De resultaten van de AMS dienen enkel ter verduidelijking. Zowel voor de geometrie als voor het
materiaal waren geen werkelijke gegevens beschikbaar en werden aannames gemaakt.
Alle berekeningen zijn uitgevoerd met een kleiner aantal ringen dan in werkelijkheid, dit om de
nodige rekentijd te beperken. Wegens de repetiviteit van gelijke ringen in het werkelijke model
zullen deze kortere modellen de realiteit goed benaderen zonder al te lange rekentijden. Voor
flexibiliteit is dit misschien niet zo. Daarom werd de invloed hiervan gecontroleerd in paragraaf 5.5.4.
5.3.1 Flexibiliteit
De resultaten zijn weergegeven in onderstaande grafieken. Hoe lager de curve van een stent ligt hoe
flexibeler de stent is. De verschillende resulterende relatieve hoekverdraaiing is een gevolg van de
verschillende stentlengtes. De opgelegde rotatie was in elke berekening gelijk. Om de invloed van de
rotatieas zoveel mogelijk te minimaliseren werden voor alle modellen 4 ringen gebruikt,
uitgezonderd de Vision(3) en de Endeavor(6).
Hoofdstuk 5 De postprocessor
103
Figuur 94: De flexibiliteitsresultaten voor berekeningen met balkelementen
Figuur 95: De flexibiliteitsresultaten voor berekeningen met volume-elementen
Hoofdstuk 5 De postprocessor
104
Hier dient omgemerkt te worden dat voor de berekening met balkelementen de resultaten van de
Cypher beperkt werden tot een relatieve rotatie van 0,55 rad/mm. Dit werd gedaan omdat na deze
waarde het reactie moment onrealistisch begint te fluctueren. Het op en neer gaan met een snel
toenemende amplitude van de kromme doet het vermoeden rijzen dat er een vorm van dynamische
resonantie optreedt in het model. Eenzelfde verschijnsel is ook waar te nemen bij de berekening van
de Multi-Link Penta. De resultaten van de Cypher hebben in tegenstelling tot Figuur 78 betrekking tot
een model van vier ringen
Figuur 96: Flexibiliteit van de Cypher met balkelementen
Uit de twee grafieken blijkt duidelijk dat de Cypher, de Tenax en de AMS slecht scoren op dit eerste
criterium. Bij de Cypher kan dit verklaard worden doordat hij als enige stent een ‘gesloten cel’-
ontwerp heeft en dit nog combineert met heel dikke struts. Ook de initiële piek van de AMS kan
hierdoor verklaard worden. Daarna kent de AMS echter een heel sterke afname van het moment.
Om dit te verklaren wordt er naar de vervormde geometrie van de AMS gekeken.
Figuur 97: De vervormde toestand van de AMS
Hoofdstuk 5 De postprocessor
105
Tussen de derde en de vierde ring vervormt de geometrie zeer sterk. Zo goed als alle verbuiging grijpt
hier aan. In de rechte verbindingen aan boven- en onderzijde heersen respectievelijk druk- en
trekkrachten. In onvervormde toestand zorgen deze ook in de ringen voor normaalkrachten. In de
vervormde toestand is de hoek tussen beide delen echter zo groot dat deze krachten momenten in
de struts opwekken en dus grotere vervormingen toelaten bij kleinere krachten. In werkelijkheid zal
deze daling in reactiemoment niet voorkomen wegens de aanwezigheid van de katheter waardoor
deze vervorming niet kan optreden. De katheter in het model opnemen kan dus een duidelijke
meerwaarde geven zoals reeds werd aangetoond door Andy De Pelsmaecker[45].
Ook bij de berekeningen van de AMS met volume-elementen is er speciale piek te zien. Bij een
relatieve rotatie van 0,9 rad/mm daalt het reactiemoment plots. Ook hier kon de verklaring
gevonden worden in het bekijken van de geometrie.
Figuur 98: Flexibiliteitsberekening van de AMS met volume-elementen
Op de afbeelding is te zien dat, op het ogenblik van de piek, de strut naast de verbinding terecht
komt en zo verder kan vervormen.
De Endeavor, de Multi-Link Penta en de Multi-Link Vision blijken de meest flexibele stents in deze
groep te zijn
5.3.2 Cilindrische Expansie
In de grafieken hieronder zijn de resultaten weergegeven voor de cilindrische expansies.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
106
Figuur 99: Foreshorteningresultaten voor berekeningen met balkelementen
Figuur 100: Foreshorteningresultaten voor berekeningen met volume-elementen
Hoofdstuk 5 De postprocessor
107
Balk Volume
AMS 11,395 11,075
Cypher 6,541 8,349
Endeavor 2,774
Multi-Link Penta 2,496 2,387
Taxus Liberté 2,434
Tenax 2,354 2,821
Vision 5,330 6,170
Tabel 24: Resultaten voor de maximale foreshortening
Alle grafieken hebben in grote mate dezelfde vorm: een exponentieel stijgende kromme.
De AMS, de Cypher en de Vision scoren merkbaar minder goed dan de overige stents in deze studie.
Bij de AMS is dit te verklaren door de noodzaak een compromis te maken met het zwakkere
materiaal.
Zoals getoond in Figuur 101 is een ontwerp waarbij de verbindingen aan de zijkanten van de ringen
zijn vastgemaakt, zoals bij de Cypher, nadelig voor foreshortening.
Figuur 101: De invloed van de positie van de verbindingen op de foreshortening
Bij de Multi-Link Penta waar de verbindingen volledig tussen de ring zijn geplaatst treedt er initieel
zelfs een kleine verlenging op. Dit komt doordat de verbindingstukken naar buiten worden geduwd
bij het opengaan van de ringen.
Uit de grafieken kan ook een maat voor de recoil afgelezen worden. De correcte waarden worden
echter uit het ‘.data’-bestand gehaald.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
108
Balk Volume
AMS 1,170 1,717
Cypher 2,512 2,704
Endeavor 6,300
Multi-Link Penta 2,669 3,719
Taxus Liberté 4,352
Tenax 3,399 5,230
Vision 3,010 3,293
Tabel 25: Resultaten voor recoil
De resultaten voor recoil zijn net tegengesteld aan alle vorige. Hier scoren net de Cypher en de AMS
beter. Dezelfde redenen die bij de flexibiliteit negatief waren (dikke struts en ‘gesloten cel’-ontwerp)
werken hier positief om recoil te verminderen. De Endeavor is op dit vlak de slechtst presterende
stent.
In paragraaf 5.5.2 wordt ook nog de invloed van het materiaal op de recoil onderzocht.
5.3.3 Ballonexpansie
Voor de ballonexpansie bekijken we alle grafieken in functie van de druk. De gebruikte ballon is een
model gebaseerd op de Raptor die bij de Cypher gebruikt wordt. De resultaten van de andere stents
kunnen dus afwijken.
Figuur 102: Diameterresultaten voor berekeningen met balkelementen
Hoofdstuk 5 De postprocessor
109
Figuur 103: Diameterresultaten voor berekeningen met volume-elementen
Alle grafieken hebben dezelfde vorm. Na een periode met kleine vervormingen gaan ze plots zeer
snel open waarna ze bij verder toenemende druk nog een heel geringe diametertoename kennen. Als
we deze resultaten vergelijken met de door de producent bekendgemaakte gegevens merken we
echter dat de diameters overschat worden.
Nominale druk [N/mm²] Volume [mm] Balk [mm]
Cypher 1,0 3,11 3,13
Tabel 26: De diameter bij nominale drukken
Deze diameter die normaal 3 mm zouden moeten zijn wordt dus duidelijk overschat. We kijken ook
nog naar de diameter bij een druk van 1,5 N/mm² en vergelijken deze met de waarden gegeven door
de producent.
Producent [mm] Volume [mm] Balk [mm]
Cypher 3,23 3,22 3,26
Tabel 27: De diameter bij 1,5 N/mm²
De waarden bij deze druk benaderen deze van de producent veel beter. Bij de plotse
diametertoename openen de stents te veel wegens dynamische effecten ondanks de tijdelijk tragere
druktoename. Daarna nemen ze trager in diameter toe waardoor ze bij hogere drukken toch naar de
waarden van de producenten toe evolueren.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
110
Figuur 104: Dogboningresultaten voor berekeningen met balkelementen
Figuur 105: Dogboningresultaten voor berekeningen met volume-elementen
Hoofdstuk 5 De postprocessor
111
Figuur 106: Foreshorteningresultaten voor berekeningen met balkelementen
Figuur 107: Foreshorteningresultaten voor berekeningen met volume-elementen
Hoofdstuk 5 De postprocessor
112
Balk Volume
AMS 26,172 33,147
Cypher 68,657 147,296
Endeavor 105,550
Multi-Link Penta 59,995 73,126
Taxus Liberté 81,308
Tenax 108,289 139,768
Vision 32,266 41,686
Tabel 28: De maximale dogboning [%]
De dogboning is afhankelijk van de overlengte van de ballon. Alle berekeningen werden uitgevoerd
met een overlengte van 1 mm aan beide zijden van de stent.
De dogboning resultaten verschillen soms sterk tussen de berekening met balkelementen en deze
met volume-elementen. De vermoedelijke oorzaak voor dit verschil ligt in het heel vluchtige karakter
van de dogboning. De resultaten worden met een constante tussentijd gemeten. Het is hierdoor
mogelijk dat de echte piek van de dogboning tussen twee neergeschreven resultaten valt. Bij de twee
berekeningen kan door het verschil in model de piek met een tijdsverschil optreden waardoor de
piek bij een van beide beter voorgesteld wordt in de resultaten.
De Cypher, Endeavor en Tenax scoren het slechtst op vlak van dogboning. De Multi-Link Penta, de
AMS en de Vision scoren daarentegen goed.
Balk Volume
AMS 13,390 13,598
Cypher 10,200 12,793
Endeavor 7,635
Multi-Link Penta 7,212 8,210
Taxus Liberté 10,342
Tenax 5,911 6,795
Vision 10,287 9,653
Tabel 29: De maximale foreshortening [%]
De waarden in deze tabel zijn groter dan deze bekomen bij de cilindrische expansie. Hiervoor zijn
twee verklaringen. Deze stents werden door de druk tot een grotere diameter geëxpandeerd.
Bovendien heeft de dogboning waarschijnlijk een invloed op de foreshortening. Door de dogboning
krullen de uiteinden naar binnen, is er een naar binnen gerichte kracht van de ballon op de stents en
kunnen ze door de reeds geëxpandeerde uiteinden deze verkorting teniet doen als de stent opnieuw
cilindrisch wordt.
De gelijkvormigheid tussen de druk-diametergrafieken en de druk-foreshorteninggrafieken toont
opnieuw een duidelijk verband tussen de diameter en de foreshortening. Een stent te ver
expanderen zal dus niet alleen grotere spanningen in de vaatwand oproepen maar door een grotere
foreshortening ook de vaatwand meer beschadigen. Beide factoren hebben een negatieve invloed op
het totale risico op restenose.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
113
5.3.4 Cilindrische expansie met radiale sterkte beproeving
Figuur 108: Radiale sterkte resultaten voor berekeningen met volume-elementen
Uit de berekening met volume-elementen volgen duidelijke resultaten. Initieel biedt de stent een
hoge weerstand zonder al te veel te vervormen. Bij toenemende kracht neemt de vervorming steeds
sneller toe tot de vervorming zelfs toeneemt bij quasi gelijkblijvende kracht. Op dat moment bezwijkt
de stent dus volledig. De beschouwde stents kunnen in drie groepen geklasseerd worden.
Een eerste groep, bestaande uit de Cypher en de Taxus, heeft een zeer grote radiale sterkte. Pas bij
krachten groter dan 0,25 N/mm daalt de relatieve diameter onder de 85%.
Een twee groep bestaat uit de Multi-Link Vision, de Multi-Link Penta en de Endeavor. Deze stents
vertonen nagenoeg dezelfde resultaten. Bij een kracht van 0,15 N/mm² is de relatieve diameter reeds
afgenomen tot ongeveer 80%.
Aan het zwakkere uiteinde bevinden zich de Tenax en de AMS. Hoewel de berekening van de Tenax
sterkt fluctuerende resultaten geeft kan toch duidelijk gezien worden dat beide stents bezwijken bij
een kracht kleiner dan 0,1 N/mm².
Hoofdstuk 5 De postprocessor
114
Figuur 109: Radiale sterkte resultaten voor berekeningen met balkelementen
De resultaten van de berekeningen met balkelementen zijn duidelijk inferieur aan deze met volume-
elementen. Dit is door het fluctueren van de reactiekracht en dus een probleem in de Abaqus
berekening dat duidelijk optreedt bij alle berekeningen. Het is dan ook aan te raden voor het bepalen
van de radiale sterkte de optie met volume-elementen te gebruiken.
Uit deze berekening worden ook de foreshorteningsresultaten bepaald. Deze zijn echter identiek aan
die van de cilindrische expansie en worden dus niet nogmaals besproken.
5.4 Vergelijking tussen berekening met balkelementen en met
volume-elementen
Daar deze thesis tot doel had berekeningen met balkelementen te gebruiken om
optimalisatiestappen uit te voeren en de berekeningen met volume-elementen te benutten om een
nauwkeuriger spanningsbeeld te krijgen, wordt ook een vergelijking gemaakt tussen de berekeningen
met balkelementen en die met volume-elementen.
In onderstaande grafiek worden alle resultaten vergeleken.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
115
Figuur 110: De flexibiliteit
De flexibiliteitsresultaten zijn nagenoeg identiek. Enkel in het eerste elastische deel zijn de
optredende fluctuaties iets verschillend. In het plastische gedeelte vallen de krommen samen. De
resultaten voor de berekening met balkelementen is opnieuw afgesneden vanaf 0,55 rad/mm.
Figuur 111: De cilindrische expansie
De expansie met de volume-elementen vertoont een duidelijk hogere foreshortening. Er is een
verschil tussen beide dat varieert van 0 tot 2%.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
116
Figuur 112: De ballonexpansie zonder uiteinden
Hoofdstuk 5 De postprocessor
117
Initieel valt een duidelijk grotere diameter bij de balkelementen op. De verklaring hiervoor is dat de
diameter bij beide berekeningen anders gedefinieerd is. Bij de balkelementen wordt er gestart vanaf
de gemiddelde diameter terwijl bij volume-elementen de inwendige diameter gebruikt wordt. Deze
keuze werd gemaakt gekozen om het verschil te compenseren in de locatie waar de ballon contact
maakt. Deze locatie bepaalt de diameter. Na de plotse opening zijn de twee krommen dan ook
gelijklopend.
Een tweede verschil is dat bij de volume-elementen de stent iets later opent en een grotere
dogboning vertoont. Deze grotere dogboning kan een verklaring zijn voor de grotere foreshortening.
Voor de Cypher werd ook de expansie uitgevoerd met een ballon met uiteinden.
Figuur 113: Ballonexpansie met uiteinden
De curve heeft hetzelfde initiële diameterverschil dat na de expansie verdwijnt. De waarden
verschillen ook van deze van de ballon zonder uiteinden. Daarom worden ze met de druk-
diameterwaarden van de producent vergeleken.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
118
Figuur 114: Validatie van de ballonexpansie van de Cypher
Op grafiek is duidelijk te zien dat de berekeningen met uiteinden een betere weergave zijn van de
realiteit. De resultaten van de ballon zonder uiteinden komen niet echt overeen met vroegere
resultaten. Uit het bekijken van de expansie van de ballon in paragraaf 4.1.4.4 lijkt de oorzaak niet te
wijten aan het ballonmodel.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
119
Figuur 115: De cilindrische expansie met radiale sterkte beproeving
De diameter-foreshorteningsgrafiek is vergelijkbaar met deze van de eenvoudige cilindrische
expansie.
De krommen betreffende de radiale sterkte verschillen zeer sterk. De berekening met volume-
elementen vertoont een zeer vloeiende lijn die bij een kracht van ongeveer 0,35 N/mm bezwijkt. De
resultaten van de berekening met balkelementen vertonen daarentegen een zeer grillige vorm die te
wijten is aan fluctuatie in de reactiekracht die door Abaqus berekend wordt. In dit geval geeft de
berekening met balkelementen dus een duidelijk inferieure resultaten ten opzichte van de
balkelementen.
Als laatste wordt nog een overzicht gegeven van de foreshortening die uit de verschillende
berekeningen volgt.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
120
Figuur 116: De foreshortening in verschillende berekeningen
In deze grafiek is duidelijk te zien dat de foreshortening bij ballonexpansies zonder uteinden een stuk
groter is dan bij de cilindrische expansie. Ook tussen de ballonexpansies zonder uteinden onderling is
er een verschil. Het vermoeden ontstaat dat de foreshortening groter is door de optredende
dogboning. Bij dogboning openen de uiteinden en door hun rotatie verkort de stent en krijgt de druk
uitgeoefend door de ballon een longitudinale component gericht naar het midden van de stent. Als
het centrale deel van de stent opent voorkomen de ballonuiteinden het opnieuw verlengen van de
stent. De berekeningen met de ballonuiteinden daarentegen vertonen bij grotere diameters een
gelijkaardige verkorting als de cilindrische expansies.
Naast de resultaten wordt ook gekeken naar de rekentijd. In onderstaande tabel zijn de rekentijden
weergegeven voor elke berekening met de Cypher stent bestaande uit 4 ringen (14040 C3D8R, 1812
B32).
Cypher Cpu’s Steptime Balk Volume Verhouding
Flexibiliteit 4 0,002 3u42 2u47 1,329
Cilindrische expansie 4 0,0025 3u12 2u38 1,215
Ballonexpansie (zonder uiteinden)
8 0,0031 5u27 3u53 1,403
Ballonexpansie (met uiteinden)
8 0,0031 16u40 10u59 1,517
Cilindrische expansie met radiale sterkte
4 0,005 6u48 5u31 1,233
Hoofdstuk 5 De postprocessor
121
In tegenstelling tot het gehoopte resultaat zijn de berekeningen met balkelementen niet sneller. Ze
zijn zelfs gemiddeld 20 tot 40 procent trager. Dit negatief resultaat is waarschijnlijk het gevolg van de
noodzaak om voor ieder balkelement de oriëntatie individueel te definiëren en het daaruit volgende
aantal dwarssecties. Ook werd, in tegenstelling tot het artikel van Hall en Kasper[48], gekozen om
met B32-elemeten te werken in plaats van de in het artikel gebruikte B31-elementen.
In de eerste berekeningpogingen, waar nog Abaqus Standard werd gebruikt, werd wel een aanzienlijk
verschil in rekentijd waargenomen. Deze berekeningen slaagden echter enkel voor de flexibiliteit van
de Cypher. Bij de andere stents kon Abaqus de berekening niet tot een goed einde brengen. Dat was
een van de redenen waarom werd overgeschakeld op Explicit.
We gaan deze resultaten ook na voor een tweede stent: de Multi-Link Vision. Ook nu kijken we eerst
naar de resultaten.
Figuur 117: De flexibiliteit
Hoofdstuk 5 De postprocessor
122
Figuur 118: De cilindrische expansie
Hoofdstuk 5 De postprocessor
123
Figuur 119: De ballonexpansie
Hoofdstuk 5 De postprocessor
124
Figuur 120: De cilindrische expansie met radiale sterkte beproeving
Ook hier zijn de resultaten sterk gelijklopend. De ballonexpansie en de cilindrische expansie vertonen
een nog betere gelijkenis dan bij de Cypher. Ook hier is er in het begin een verschil in diameter
wegens de strutdikte.
Bij de berekening van de radiale sterkte wijkt de berekening met balkelementen sterk af van de te
verwachten resultaten. De opgemeten reactiekracht fluctueert. Net als bij de Cypher kunnen we dus
besluiten dat de resultaten van de berekening met balkelementen onrealistische resultaten oplevert.
Alle onaanvaardbare berekeningsproblemen met balkelementen zijn te wijten aan reactiekrachten:
alle radiale sterktes en de flexibiliteit van de Cypher en de Penta. Voor deze berekeningen lijkt het
dan ook beter om volume-elementen te gebruiken.
Net als voor de Cypher, werd voor de Vision de ballonexpansie nogmaals uitgevoerd met een model
met ballonuiteinden. De resultaten van alle ballonexpansies werden vergeleken met de gegeven van
de producent voor de Promus. Die heeft op de coating na dezelfde geometrie als de Vision en dus
zouden de druk-diameterwaarden moeten overeenstemmen. De gebruikte ballon is de Raptor. Dit is
dus niet de ballon waarmee de Vision/Promus normaal geëxpandeerd wordt.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
125
Figuur 121: Vallidatie van de ballonexpansie van de Vision
Bij de nominale druk van 0,9 N/mm² is er een heel goede overeenstemming tussen de
producentgegevens en de expansie met uiteinden. Bij hogere drukken echter komen de
berekeningen zonder uiteinden dichter bij de gegevens van de producent al is het verschil tussen de
vier berekeningen bij die drukken klein.
De tijdsverhoudingen zijn ook voor de Vision berekend (14304 C3D8R, 983 B32). Deze hoge
verhouding in het aantal elementen komt doordat er voor de ringen een dwarssectie wordt gebruikt
van vier op vier rechthoeken. Bij de Cypher zijn dit er maar drie op twee.
Tenax Cpu’s Steptime Balk Volume Verhouding
Flexibiliteit 4 0,002 1u01 2u16 0,448
Cilindrische
expansie
4 0,0025 2u20 3u37 0,645
Ballonexpansie
(zonder uiteinden)
Balk 4
Volume 8
0,0031 2u49 3u26 0,820
Ballonexpansie
(met uiteinden)
4 0,0031 14u36 14u55 0,979
Cilindrische
expansie met
radiale sterkte
4 0,005 2u52 5u50 0,491
In dit model lijken de balkelementen wel sneller, maar dit is enkel te danken aan de verhouding in
het aantal elementen: een factor 14,5.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
126
Hoewel de balkelementen dus relatief gelijklopende resultaten geven als de volumeberekeningen
moet besloten worden dat ze hun doel, snellere optimalisatiestappen, niet bereiken. Ze halen het
enkel op rekentijd als er een zeer fijne mesh gebruikt wordt bij de volume-elementen. Voor snellere
resultaten in bij de berekeningen van de Cypher aangetoond dat een grove mesh beter is. In
paragraaf 5.5.1 wordt hier verder op ingegaan.
5.5 Extra controles
5.5.1 De invloed van de mesh
De manier waarop de bifurcaties gemesht worden zorgt ervoor dat de geometrie lichtjes
meshgevoelig is. De laatste elementen van de zijtak zijn afhankelijk van deze in de hoofdtak.
Figuur 122: De meshafhankelijkheid van de geometrie
De cilindrische expansie werd uitgevoerd met twee verschillende meshes.
C3D8R M3D4 Rekentijd
Grof 14040 200 3u54
Fijn 22032 200 5u47
Hieronder staan de resultaten van de cilindrische expansie.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
127
Figuur 123: De resultaten van de invloed van de mesh
Er zijn geen noemenswaardige verschillen in de resultaten. Op de rekentijd echter wel. Deze is een
derde korter met de grove mesh. Na deze resultaten werd er dan ook voor gekozen om alle
berekeningen met de Cypher uit te voeren met een grove mesh. Dit gegeven gecombineerd met het
relatief eenvoudig model van de Cypher zorgde ervoor dat de Cypher een ideale geometrie heeft om
berekeningen en de invloed van meerdere parameters te testen.
Een grovere mesh gebruiken blijkt dus wel een doeltreffend middel om de rekentijd te verkorten
5.5.2 De invloed van het materiaal
De invloed van het materiaal is sterk afhankelijk van de uitgevoerde berekening. Het testen gebeurt
door de berekening met drie materialen uit te voeren: Staal, Cobalt-Chroom en Magnesium. Eerst
wordt de cilindrische expansie van de Cypher nader bekeken. De opgemeten recoil is in
onderstaande tabel afgedrukt.
Hierbij dient opgemerkt te worden dat materiaalgegevens voor magnesium niet gevalideerd zijn en
enkel ter illustratie werden meegenomen in deze vergelijking.
Materiaal Recoil Elasticiteitsmodulus
[Mpa]
Vloeigrens
[Mpa] fy/E Recoil*E/fy
Staal 2,58% 196000 375 0.001913 13.4848
Cobalt-Chroom 2,99% 243000 629 0.002588 11.5512
Magnesium 1,57% 156000 190 0.001218 12.8905
Hoofdstuk 5 De postprocessor
128
Figuur 124: Spanning-rekdiagram
Uit van Figuur 124 wordt afgeleid dat de elastische terugvering grotendeels beïnvloed wordt door de
elastische reactie van het materiaal. Dit wordt bevestigd door het bekijken van de verhouding recoil x
elasticiteitsmodulus / vloeigrens. De beperkte spreiding op deze verhouding duidt op een
gedeeltelijke correlatie tussen beide. Materiaal heeft dus duidelijk een rechtstreekse invloed op de
recoil. Hoe sterker het materiaal hoe groter de recoil. Dit verklaart de grote recoil waargenomen bij
de Endeavor.
Uit dezelfde berekening kan ook de foreshortening bepaald worden.
Figuur 125: De invloed van het materiaal op de foreshortening
Uit de grafiek blijkt duidelijk dat de foreshortening niet beïnvloed wordt door van het materiaal en
bijgevolg volledig bepaald is door de geometrie.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
129
Ook de invloed op de flexibiliteit werd bekeken. Ook hiervoor werd het model van de Cypher
gebruikt.
Figuur 126: De invloed van het materiaal op de flexibiliteit
5.5.3 De invloed van het aantal outputs
Al snel werd duidelijk dat de 20 standaardoutputs van een Abaqus Explicit berekening onvoldoende
waren om een goed beeld te krijgen over transiënte effecten. Dit is enkel van doorslaggevend belang
bij de ballonexpansie waar er specifiek naar de dogboning gekeken wordt.
De invloed wordt onderzocht door het bestuderen van de expansie van de Cypher. Er werden drie
berekeningen uitgevoerd met respectievelijk 10, 30 en 50 outputs.
De resultaten zijn weergegeven in onderstaande grafieken.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
130
Figuur 127: De invloed van het aantal outputs op de dogboning
De maximumwaarden voor de dogboning zijn respectievelijk 25,8%, 88,1% en 76,6%. De resultaten
afgeleid uit de berekening met 10 outputs zijn duidelijk onaanvaardbaar onnauwkeurig. De waarde
van 25,8% is een grote onderschatting van de werkelijke dogboning. De waarden voor de twee
overige berekeningen liggen dichter bij elkaar. Ook de grafieken zijn gelijkvormig. Hoe groter het
aantal outputs, hoe nauwkeuriger de piek van de dogboning zal worden gevonden. Een te klein
aantal zal de piek niet nauwkeurig benaderen en daardoor de dogboning onderschatten. Dit is
duidelijk het geval voor de berekening met 10 outputs.
Desondanks merken we een hogere waarde bij de berekening met 30 outputs. Dit verschijnsel kan
verklaard worden door een andere verdeling van de outputs in de tijd. We dienen ook te vermelden
dat er een positief effect ontstaat door de amplitude van de druk. In het kritieke gebied verloopt de
druktoename trager. Hierdoor liggen de punten in de grafiek in deze zone dichter op elkaar,
waardoor automatisch reeds een betere benadering bekomen wordt. Het aantal outputs heeft geen
invloed op de rekentijd. De extra tijd die nodig is in de postprocessor om de resultaten te verwerken
is ook beperkt tot een aantal seconden. Er is dus geen reden om deze parameter klein te houden en
bijgevolg worden er in de preprocessor standaard 50 outputs gevraagd.
5.5.4 Invloed van het aantal ringen op de flexibiliteit
Voor de flexibiliteit wordt in veel gevallen het model verkleind door slechts een beperkt aantal ringen
te nemen. De invloed van deze vereenvoudiging wordt hier nagegaan. Hiervoor wordt de flexibiliteit
van de Cypher berekend met 2 en met 4 ringen.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
131
Figuur 128: De flexibiliteit van de Cypher met 2 en 4 ringen
De resultaten zijn weergegeven in onderstaande grafiek.
Figuur 129: De invloed van het aantal ringen op de flexibiliteit
Hoofdstuk 5 De postprocessor
132
Een eerste opvallend verschil is dat voor de langere stent de relatieve rotaties bij eenzelfde
opgelegde hoekverdraaiing aan de eindvlakken, veel kleiner zijn en daardoor de punten veel dichter
op elkaar liggen. Om deze reden werd het mogelijk gemaakt om de hoekrotatie die wordt opgelegd
in te geven in de preprocessor.
Verder zien we dat de langere stent iets flexibeler (kleinere reactiemomenten) toont. Dit valt te
verklaren door de opbouw van de Cypher te bekijken. In de vervormde toestand is duidelijk te zien
dat de flexibiliteit enkel door de verbindingen verzorgd wordt. Het lange model bezit 3
verbindingszones, het korte slechts 1. Het lange model is echter maar 2,27 keer zolang als het korte,
wat resulteert in meer flexibiliteitszones per lengte en bijgevolg een hogere flexibiliteit.
5.5.5 Invloed van het aantal verbindingen op de flexibiliteit
In deze paragraaf wordt het voordeel van de parametrisch aanpasbare geometrie aangetoond door
het toe te passen op de flexibiliteitsberekening van de Cypher.
Uit de vergelijking met de andere stents volgt al snel dat de Cypher slecht scoort op gebied van
flexibiliteit. Een mogelijke oplossing hiervoor zou zijn om over te gaan op een ‘open cel’-design.
Er werden drie modellen beproefd: de originele Cypher met zes verbindingen, een model met drie
verbindingen en een model met twee verbindingen.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
133
Figuur 130: De 3 verschillende modellen met respectievelijk 2, 3 en 6 verbindingen
De resultaten zijn weergegeven in onderstaande grafiek.
Hoofdstuk 5 De postprocessor
134
Figuur 131: De invloed van het aantal verbindingen op de flexibiliteit
Het is duidelijk dat het reactiemoment rechtstreeks evenredig is met het aantal verbindingen. Verder
valt ook op dat enkel in het geval met 6 verbindingen de verstijving ten gevolge van het contact
optreedt.
Deze berekeningen hebben aangetoond dat door een eenvoudige wijziging de Cypher veel beter kan
scoren op gebied van flexibiliteit. Toch is door de ontwerpers specifiek gekozen om dit niet te doen.
De reden hiervoor zijn de grote openingen die ontstaan waar de verbindingen ontbreken. Hierdoor
zou tijdens de expansie de ballon tussen de stent doordringen en de vaatwand beschadigen. Ook zou
hier een zone ontstaan die geen steun krijgt en ook te weinig van de medicijncoating ontvangt. Dit
was volgens de ontwerpers blijkbaar belangrijker dan de lage flexibiliteit.
5.5.6 Invloed van de rotatieas op de flexibiliteit
De flexibiliteitsberekening is een asymmetrische berekening. Hoewel de stents repetitief zijn in
omtreksrichting kan de flexibiliteit binnen dit interval variëren. De Cypher is repetitief om de 60
graden. Daarom wordt in deze paragraaf de Cypher om zijn longitudinale as geroteerd om een hoek
van 15, 30 en 45 graden. Voor deze berekening wordt een model met slechts twee ringen gebruikt.
Meer uitleg hierover in paragraaf 5.5.4
Hoofdstuk 5 De postprocessor
135
Figuur 132: De invloed van de rotatieas op de flexibiliteit
Er zit een lichte spreiding op het reactiemoment maar dit is in dit geval slechts een kleine invloed.
Bij een stent zoals de Tenax kan dit een relatief groot effect hebben. De Tenax heeft slechts twee
verbindingen die ten opzichte van elkaar verschoven zijn over 180°. In realiteit bestaat de stent uit
een groter aantal ringen en zal de invloed van de rotatieas beperkter zijn doordat de
flexibiliteitszones ten opzichte van elkaar geroteerd zijn.
136
Hoofdstuk 6
Conclusie
6.1 Literatuurstudie
Uit de zoektocht naar gegevens over de beschouwde stents bleek al snel dat de producenten slechts
heel weinig numeriek vergelijkbare gegevens publiceren. Op hun websites promoten ze wel allemaal
dat hun stent optimale plaatsingsmogelijkheden combineert met een ideale steun. Een objectief
vergelijkend berekeningshulpmiddel kan dus zeker zijn nut bewijzen.
De enige vergelijkbare gepubliceerde waarden zijn de resultaten van de klinische studies. Daarom
werd een eerste vergelijkende studie gebaseerd op deze gegevens. Deze resultaten bevestigden de
verwachtingen. Er is een duidelijke ordening volgens de coating. De drug eluting stents scoren
aanzienlijk beter met een herbehandelingsgraad die steeds kleiner dan 10% is en meestal zelfs onder
de 5% ligt. Daarna volgen de stents met passieve coating gevolgd door de bare metal stents. Voor
deze laatste kan de noodzaak van een herbehandeling tot 20 % oplopen.
De enige afwijking op deze rangschikking is de Multi-Link Vision die opmerkelijk goed scoort voor een
BMS. Er dient opgemerkt te worden dat er slechts één studie werd gevonden en deze slechts over
een periode van 6 maanden liep.
Hoewel de idee van een absorbeerbare stent enkele duidelijke voordelen heeft, leidt dit principe
duidelijk tot een compromis. In de enige klinische studie die gevonden werd was er sprake van een
herbehandeling (TLR) van 38 procent. Door de absorptie kan deze herbehandeling wel eenvoudiger
gebeuren. De betreffende stent is wel nog in volle ontwikkeling en nog niet commercieel
beschikbaar.
6.2 Pre- en postprocessor
In het kader van deze thesis werd een pre- en postprocessor ontwikkeld voor de Abaqus
rekencluster. Deze pre- en postprocessor zijn ontwikkeld in de vorm van scripts in pyFormex en
kunnen beide volledig vanuit de GUI worden aangestuurd. De preprocessor bevat een groot aantal
functies. Enkele daarvan dienen om een geometrie te importeren, te bewerken en te controleren.
Het belangrijkste onderdeel zijn echter de functies voor het automatisch aanmaken van Abaqus
inputfiles. Er zijn enkele functies die enkel de geometrie naar Abaqus exporteren en een functie die
de inputfile van een ballondilatatie maakt.
Hoofdstuk 6 Conclusie
137
In de preprocessor staan echter die functies centraal die inputfiles met volledige berekeningen
aanmaken. Er zijn vier berekeningen waaruit samen enkele zeer belangrijke ontwerpeisen afgeleid
kunnen worden.
Flexibiliteit;
Cilindrische expansie;
Ballonexpansie;
Cilindrische expansie met radiale sterkte beproeving.
Door pyFormex kan de gebruiker in minder dan een minuut een volledige inputfile maken met
inbegrip van het tekenen van de geometrie. Dit toont de kracht van deze preprocessor. De gebruiker
kan zonder veel werk een groot aantal berekeningen maken om een ontwerp parametrisch te
optimaliseren. Door middel van deze pre- en postprocessor is de enige beperking de rekentijd.
In deze thesis werd een poging gedaan om de optie in te bouwen optimalisatieberekeningen uit te
voeren met balkelementen. Nadien bleek deze optie echter niet het verwachte hogere rendement op
te leveren. Bij de berekening van de radiale sterkte en soms bij flexibiliteit worden er bovendien
onrealistische resultaten bekomen voor de reactiekrachten. Om toch snel tot een resultaat te komen
kan de gebruiker kiezen om een grovere mesh te gebruiken.
Binnen elke berekening zijn verschillende opties ingebouwd. Sommige opties zijn gebaseerd op
eerdere thesissen, sommige zijn nieuw. Bij deze nieuwe optie bevindt zich onder andere het
simuleren van de volledige ballon met inbegrip van de uiteinden
Voor al deze berekeningen is een bijhorende postprocessor ontworpen die de resultaten verwerkt
tot specifieke waarden voor het berekenen van stents: lengte, diameter, dogboning, … . Met deze
resultaten kunnen grafieken getekend worden. Deze grafieken kunnen per berekening opgesteld
worden maar er kunnen ook meerdere berekeningen samen voorgesteld worden op 1 grafiek om zo
een onderlinge vergelijking mogelijk te maken.
6.3 Vergelijkende studie
Om de functies van de pre- en postprocessor te testen en hun kracht aan te tonen werd een
vergelijkende studie uitgevoerd tussen de zeven getekende geometrieën. Door de verschillende
karakteristieken voor de verschillende stents in grafiek af te beelden konden de stents gerangschikt
worden.
Enkele tendensen vielen op. Een eerste zijn de zwakke resultaten van de AMS. Hoewel de
berekeningen slechts een indicatie zijn, door het gebrek aan een exacte geometrie en exacte
materiaalparameters, is duidelijk dat de idee van een absorbeerbare stent gepaard gaat met grote
compromissen op het vlak van sterkte en andere ontwerpeisen.
De Cypher scoort het best op het vlak van radiale sterkte maar kan deze goede resultaten niet
handhaven op andere vlakken. Inzake flexibiliteit en foreshortening scoort enkel de AMS slechter.
Voor deze beide parameters lijkt er echter verbetering op komst met de Cypher-Select.
Hoofdstuk 6 Conclusie
138
De nieuwere ontwerpen hebben een kleinere radiale sterkte maar scoren hierdoor beter op andere
vlakken.
Het is dus duidelijk dat sommige eisen elkaar rechtstreeks tegenspreken, bijvoorbeeld de flexibiliteit
en de radiale sterkte. Hieruit volgt dat een afweging zal moeten gemaakt worden tussen de
verschillende eisen. Deze ideale afweging zal voor iedere stentimplantatie anders zijn.
6.4 Verdere mogelijkheden
Tijdens het bestuderen van de resultaten werden reeds enkele mogelijke verbeteringen aangehaald.
Een eerste is het modelleren van de katheter en de ballon bij de flexibiliteitsberekening.
Een tweede is het beter valideren van de ballonexpansie. Een identiek model aan dit gebruikt in
eerdere thesissen[45][46] geeft jammergenoeg afwijkende resultaten. Het model met de
ballonuiteinden echter geeft wel realistische waarden en is dus een stap in de richting van een van
volledige realistische simulatie.
In deze thesis werd enkel een vrije expansie behandeld. In realiteit wordt de stent in een vernauwde
slagader geëxpandeerd. De stenose heeft daarbij een enorme invloed op de expansie. Daarom is het
modeleren van de expansie in een stenose zeker een van de volgende stappen naar een patiënt
specifieke modellering toe. Daarbij kan de vorm en opbouw van de stenose uit medische beelden
wordt gehaald, waarna verschillende stents virtueel worden geëxpandeerd is de stenose om hun
doeltreffendheid te vergelijken. PyFormex lijkt hiervoor ideaal wegens de reeds aanwezige optie om
met verschillende beeldformaten te werken. Hiermee zou de arts een goed gefundeerde keuze
kunnen maken om de patiënt een optimaal resultaat te bezorgen.
139
Bibliografie [1] http://www.aktion-meditech.de
[2] http://www.cardiologischeliga.be/nl/03_vasculair_arth.cfm
[3] http://www.asante.org/Images/Import/Heart/Bypass.gif
[4] http://www.e-gezondheid.be/nl/ziekten_en_aandoeningen/Atherosclerose-3757-890-art.htm
[5] http://www.nhlbi.nih.gov/health/dci/Diseases/Angioplasty/Angioplasty_howdone.html
[6] http://www.uza.be/UZA/downloads/RE-UZA-Kathlab.pdf
[7] http://www.umcn.nl/patient/
[8] MICHELE CONTI, Finite Element Analysis of self-expanding braided wirestent, 2007
[9] http://www.ptca.org/des.html
[10] RON WAKSMAN, Absorbable Metal Stent, Clinical Update and DREAMS – Drug Eluting
Absorbable Metal Stent, Concept and pre-clinical data, 2007,
http://www.congress.co.il/ici2007/images/ppt2/1400_Waksman_C_Mon.ppt
[11] http://navier.ugent.be/public/biomed/research/research.htm
[12] US Patent 6955686, 2005
[13]G.A. HOLZAPFEL, D.E.KIOUSIS, Biomechnical Characterization of the stented artery, computional
solid mechanical aspects, ESVB 2007 – New Technologies in Vascular Biomaterials. Fundamentals
About Stents II, Chapter 2, page 11-23, 2007
[14] http://www.cordis.com
[15]
http://www.abbottvascular.com/av_dotcom/url/content/en_US/10.10.355.10:10/general_content/
Abtdiv_General_Content_0000124.htm
[16] http://news.thomasnet.com/companystory/492716
[17]
http://www.abbottvascular.com/av_dotcom/url/content/en_US/10.10.360.20:20/general_content/
Abtdiv_General_Content_0000157.htm
[18] RAIMUND ERBEL, LUIS GRUBERG ,PROGRESS-AMS: Coronary Stenting With Magnesium-Alloy
Absorbable Metal Stent, Medscape, 2006,
[19] RON WAKSMAN, Absorbable Metal Stent: the new answer to the question of restenosis, 2004,
http://www.europcronline.com/fo/lecture/view_slide.php?congres_id=66&id=1481
[20] http://www.endeavorstent.com/html/en/hcp_endspr_differentbydesign.html
140
[21]
http://www.bostonscientific.com/templatedata/imports/collateral/Coronary/liberte_guid_01_us.pdf
[22] SIGMUND SILBER, Which Parameter Should Be Chosen as Primary Endpoint for Randomized
Drug-Eluting Stent Studies?, Journal of Interventional Cardiology, Volume 17, Number 6, December
2004 , pp. 375-385(11)
[23] NELSON RODRIGUES NETTO, JR., JEAN IKONOMIDIS and CESAR ZILLO, Routine ureteral stenting
after ureteroscopy for ureteral lithiasis: is it really necessary?, The Journal of Urology, Volume 166,
Issue 4, Pages 1252-1254, October 2001
[24] http://files.shareholder.com/downloads/JNJ/0x0x51853/dd1f8d1a-b820-4182-ab3c-
149b0beea9e4/JNJ_News_2005_3_6_Financial_Releases.pdf
[25] http://www.jnj.com/news/jnj_news/20070327_093215.htm
[26] http://www.medpagetoday.com/Cardiology/PCI/tb/8157
[27] http://www.entrepreneur.com/tradejournals/article/154515715.html
[28] http://www.abbott.com/global/url/pressRelease/en_US/60.5:5/Press_Release_0528.htm
[29] http://www.abbottvascular.com/en_US/content/document/Fact_Sheet_SPIRIT_Trial.pdf
[30] http://www.medicalnewstoday.com/articles/86284.php
[31] DIDIER CARRIÉ M.D., KHALIFÉ KHALIFÉ M.D., MARTIAL HAMON M.D., BERNARD CITRON M.D.,
JEAN PIERRE MONASSIER, M.D., RÉMI SABATIER M.D., JANUS LIPIECKY M.D., SAMI MOURALI M.D.,
LAURENT SARFATY M.D., MEYER ELBAZ M.D., JOELLE FOURCADE M.D., JACQUES PUEL M.D.* (2001)
Initial and Follow-Up Results of the Tenax Coronary Stent, Journal of Interventional Cardiology,
Volume 14 Issue 1 Page 1-5, February 2001
[32] MARTIN UNVERDORBEN MD, PHDA, BABETT SIPPEL MDA, RALF DEGENHARDT PHDA, KATHERINE
SATTLER MDA, ROLAND FRIES MDB, BERND ABT MDA, EBERHARD WAGNER MDA, HENNING
KOEHLER MDA, GABRIELE DAEMGEN MDA, MANFRED SCHOLZ MDA, HASSAN IBRAHIM MDA, KARL-
HEINZ TEWS PHDC, BENNO HENNEN MDB, HEINER K. BERTHOLD MD, PHDA AND CHRISTIAN
VALLBRACHT MDA, Comparison of a silicon carbide-coated stent versus a noncoated stent in human
beings: The Tenax versus Nir Stent Study's long-term outcome, American Heart Journal , Volume 145
, Issue 4 , Page E17
[33] MARTIN UNVERDORBEN M.D., PH.D, KATHERINE SATTLER M.D, RALF DEGENHARDT PH.D,
ROLAND FRIES M.D, BERND ABT M.D, EBERHARD WAGNER M.D, HENNING KOEHLER M.D, MANFRED
SCHOLZ M.D, HASSAN IBRAHIM M.D, KARL-HEINZ TEWS PH.D, BENNO HENNEN M.D, GABRIELE
DAEMGEN M.D, HEINER K. BERTHOLD M.D., PH.D, CHRISTIAN VALLBRACHT M.D, Comparison of a
Silicon Carbide Coated Stent versus a Noncoated Stent in Humans:. The Tenax™-Stent Study (TENISS),
Journal of interventional cardiology, 16(4):325-33, Augustus 2003
[34] http://www.ivtindia.com/stent.html
141
[35] HISATAKA SASAO, HITOKO OGATA and DAISUKE HOTTA, Clinical and Angiographic Outcomes
After Multi-Link PENTA Stent Implantation in Japanese Patients With Coronary Artery Disease, Int
Heart J, VOL.46, NO.6, PAGE.997-1006, 2005
[36] ALEXANDRA J. LANSKY, MD; RICARDO A. COSTA, MD; GARY S. MINTZ, MD; YOSHIHIRO TSUCHIYA,
MD; MARK MIDEI, MD; DAVID A. COX, MD; CHARLES O’SHAUGHNESSY, MD; ROBERT A. APPLEGATE,
MD; LOUIS A. CANNON, MD; MICHAEL MOONEY, MD; ANTHONY FARAH, MD; MARK A.
TANNENBAUM, MD; STEVEN YAKUBOV, MD; DEAN J. KEREIAKES, MD; S. CHIU WONG, MD; BARRY
KAPLAN, MD; ECATERINA CRISTEA, MD; GREGG W. STONE, MD; MARTIN B. LEON, MD; WILLIAM D.
KNOPF, MD; WILLIAM W. O’NEILL, MD, for the DELIVER Clinical Trial Investigators, Non–Polymer-
Based Paclitaxel-Coated Coronary Stents for the Treatment of Patients With De Novo Coronary
Lesions, Angiographic Follow-Up of the DELIVER Clinical Trial, American Heart Association, Inc. ,2004
[37]
http://wwwp.medtronic.com/Newsroom/NewsReleaseDetails.do?itemId=1191591931845&lang=en_
US
[38] http://www.crtonline.org/pr.aspx?PAGE_ID=4135
[39] http://biz.yahoo.com/bw/080330/20080330005055.html?.v=1
[40] http://findarticles.com/p/articles/mi_m0EIN/is_2004_August_31/ai_n6175069
[41]
http://www.thefreelibrary.com/Clinical+Results+of+Pivotal+Trial+Show+ENDEAVOR+Drug+Eluting+St
ent...-a0129791929
[42] http://www.bio-medicine.org/medicine-technology/Positive-Results-for-Second-Generation-
Taxus-Liberte-Coronary-Stent-0ASystem-Highlighted-in-Journal-of-American-College-of-Cardiology-
484-1/
[43] RUN-LIN GAO, BO XU, SHU-ZHENG LU, JI-LIN CHEN, YA-LING HAN, JUN-ZHU CHEN, LU-YUE GAI,
JUN-BO GE, WEI-MIN WANG, ZHI-MIN DU, YONG HUO, LE-FENG WANG, WEI GAO, JI-YAN CHEN, BEN
HE, GUO-LIANG JIA, ZHI-JIAN YANG, KE-JIANG CAO, WEI-MIN LI, WEI-FENG SHEN, ZHENG WAN, DE-
JIA HUANG, GUO-YING ZHU and for the CCSR Investigators, Safety and efficacy of the CYPHER Select
Sirolimus-eluting stent in the “Real World”—Clinical and angiographic results from the China CYPHER
Select registry, International journal of cardiology, 125(3):339-46, April 2008
[44] XU YA-WEI, WEI YI-DONG, TANG KAI, CHEN YAN-QING, LI WEI-MING, YU XUE-JING, QIN YONG-
WEN, QI GUO-XIAN, QU PENG, HOU YU-QING, ASHOK JAIN, PARVEZ GRANT, GUDAPATI RAMESH,
BASAVAPPA RAMESH, CHUMPOL PIAMSOMBOON, SRUN KUANPRASERT, HYEON-CHEOL GWON,
YOON HAENG CHO, HAIZAL HAROON KAMAR, HUANG CONG-XIN, Multi-link Vision and MiniVision
stent registry in Asian patients with coronary artery disease: a prospective, multi-center study,
Chinese Medical Journal (Engl), 20;120 (12), juni 2007
[45] A. DE PELSMAEKER, Zoektocht naar een ideale stent via numerieke modellering, 2006-
2007
[46] P. MORTIER, Eindige elementen simulatie van ballon-stent interactie,2005,2006
142
[47] W. COSAERT, Optimalisatie van zelfexpandeerbare draadstents, 2006-2007
[48] G. J. HALL and E. P. KASPER, Comparison of Element Technologies for Modeling Stent
Expansion, Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 128: 751-756, Oktober 2006
[49] M. DE BEULE en P. MORTIER, De Eindige Elementen Methode in de Biomechanica, Een
Abaqus introductie
[50] ZIHUI XIAA, FENG JUA and KATSUHIKO SASAKI, A general finite element analysis method
for balloon expandable stents based on repeated unit cell (RUC) model, Finite Elements in Analysis
and Design, Volume 43 , Issue 8, Pages 649-658, May 2007
[51] DENIS LAROCHE, SEBASTIEN DELORME, TODD ANDERSON, and ROBERT DIRADDO, Computer Prediction of Friction in Balloon Angioplasty and Stent Implantation