本研究由m.a. oude vrielink、p.h.m. timmermans、b. van de wetering、r. hovenkamp和o. van der sluis等人完成，主要作者隶属于Philips Innovation & Strategy（荷兰）、LifeTec Group（荷兰）以及Eindhoven University of Technology（荷兰）。该论文发表于期刊 *Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials*，第163卷，文章编号106818，于2024年11月23日在线发表。
研究的学术背景聚焦于血管组织损伤的计算建模，旨在为安全介入器械的开发提供理论支撑。在血管内介入手术过程中，医疗器械与血管组织之间会发生机械相互作用。器械设计面临一个权衡：较高的弯曲刚度虽然有利于操控性和推送性，但可能引发超出生理范围的载荷，从而导致组织损伤。血管壁中的胶原纤维是主要的承载结构，但在微观尺度上可能因机械作用而断裂；当载荷进一步增大时，会发生组织撕裂或穿刺。为了减轻组织损伤，该研究致力于发展基于有限元（finite element, FE）的计算模型，并将先进的 constitutive tissue models（本构组织模型）应用于安全器械的设计。研究通过仿器械压头对猪组织进行压痕实验，观察到与组织损伤相关的马林斯效应（Mullins effect），进而采用Weisbecker等人提出的损伤方法结合超弹性模型来描述组织力学行为，包括损伤引起的能量耗散演化。基于实验验证的计算模型，研究者建立了一种新的设计准则，并提出用于穿刺起始的能量密度准则，最终对几种常用导丝进行了数值评估。
研究的工作流程包括实验、本构模型构建与参数识别、损伤模型验证以及器械安全评估等环节。首先，实验所用标本取自2至7个月龄猪的降胸主动脉，猪只并非为本研究专门处死。标本在宰杀后6小时内进行测试，保存于0.9%生理盐水中，运输温度维持在4°C。实验采用自行开发的压痕测试装置：将仿器械压头压在由刚性基底支撑的血管壁上，以模拟导管或导丝在血管内的载荷工况。每个标本上进行三次压痕实验，位置间隔足够远以避免互相影响。压头为球形尖端，直径分别为0.5 mm、0.7 mm和1.0 mm，对应尖端直径分别为0.642 mm、0.972 mm和1.106 mm。实验采用位移控制，记录压头位移和所需力，得到力-位移曲线，包括能量耗散和穿刺信息。由于湿润动脉表面光滑且未变形时高度柔顺，标本通过销钉固定。压痕实验持续加载直至穿刺发生，以更准确地获取损伤参数。
在材料模型方面，研究采用了Gasser等人提出的各向异性超弹性描述和Weisbecker等人提出的组织损伤描述。变形梯度张量被分解为体积部分和等容部分，数值实现采用完全拉格朗日格式。组织被假定为超弹性材料，应变能函数由体积项和等容项加和组成。体积项作为惩罚函数来近似不可压缩行为，采用Herrmann混合公式避免体积锁定。等容部分包含各向同性基质和两族分散的胶原纤维。基质采用Neo-Hookean模型，纤维族采用Gasser等人的指数型应变能函数。组织损伤采用Ogden和Roxburgh提出的伪弹性损伤方法，由Weisbecker等人进一步发展。在该方法中，损伤变量仅在卸载和再加载过程中演化，损伤函数中的参数m和r控制损伤演化速率和最大软化程度。通过循环加卸载可以观察到马林斯效应，即卸载曲线低于初始加载曲线，再次加载时沿卸载路径，到达先前最大载荷后继续沿原始加载曲线。该模型通过用户子程序在商用有限元软件MARC中实现。
在参数识别过程中，研究者利用其中一根主动脉上的三次压痕实验，每个实验包含六个加卸载步骤。前三个循环中能量耗散可忽略不计，但在第4和第5步中，卸载曲线显著低于加载曲线，产生了可观的能量耗散。第6步中在4.93 N的压痕力下发生穿刺，表现为力随位移增加而急剧下降。通过提取初始未损伤材料加载曲线（称为主加载曲线），利用有限元反演法识别了材料参数：基质参数c10为0.01 MPa，纤维参数k1为0.16 MPa，k2为0.003。由于纤维取向未知，研究假设纤维分布各向同性，即κ=1/3，从而使材料模型退化为各向同性。标本在三个压痕位置的平均厚度为2.24 mm，模拟中采用该厚度。压痕实验采用轴对称有限元模型，压头简化为刚性冲头，摩擦被忽略。模拟得到的力-位移曲线与实验主加载曲线吻合良好。
损伤参数的识别基于实验中的卸载和再加载曲线平均值。研究观察到卸载曲线通常低于下一周期的再加载曲线，这表明并非所有滞后面积都对应于不可逆损伤。研究者将加载-卸载曲线之间的面积作为能量耗散的上限，将下一周期再加载曲线与卸载曲线之间的面积作为下限。实验和模拟结果显示，能量耗散随最大压痕力非线性增加。损伤参数确定为r=1.4，m=0.035，模拟结果与实验力-位移曲线吻合良好。研究提出通过耗散能密度来量化组织损伤，因为该量在损伤材料中始终为非零，并且可以累积。
关于穿刺预测，三次实验中穿刺力分别为4.93 N、5.43 N和4.86 N，平均为5.07 N。在数值模拟中，当施加该力时，最大纤维能量耗散密度位于压头正前方，最大值为9.60 mJ/mm³。研究者假设当耗散能密度达到临界值时发生穿刺。通过使用不同直径的压头进行验证实验和模拟，结果表明穿刺发生时对应的耗散能密度具有一致性，最低临界值约为4.6 mJ/mm³。这一能量密度准则被用于评估常用导丝的安全性。对三种常用的0.014英寸工作导丝（如Choice Floppy、Balance Middle Weight和IQ）的尖端载荷分别为0.8 g、0.7 g和1.1 g。模拟结果显示，在1.1 g的尖端载荷下，最大能量耗散密度仅为0.00227 mJ/mm³，远低于穿刺阈值4.6 mJ/mm³。与此形成对比的是，若采用Weisbecker等人使用的损伤变量ηmin作为准则，其值降至0.78，似乎指示显著的组织损伤风险，但这与临床实际情况不符。因此，能量耗散密度准则被认为比ηmin准则更适合描述组织损伤风险。
研究的结论指出，通过实验和数值模拟相结合的方法，可以准确描述血管组织在超生理载荷下的损伤演化和穿刺起始。所建立的伪弹性损伤模型能够在商用软件中实现，并通过压痕实验验证。提出的能量耗散密度准则为安全器械设计提供了有效工具。研究的主要亮点包括：(1) 采用能量耗散而非传统的损伤变量来量化组织损伤，更具普适性；(2) 通过压痕实验模拟器械-组织相互作用，比双轴测试更接近临床工况；(3) 提出了基于能量耗散密度的穿刺起始准则，并将其应用于评估市售导丝的安全性；(4) 建立了完整的实验-建模-验证-应用工作流程。
该研究的价值体现在两方面：在科学层面，它提供了一种统一的组织损伤量化方法，避免了不同研究中损伤变量定义不一致而难以比较的问题，并通过能量耗散将微观纤维断裂与宏观力学响应联系起来。在应用层面，所提出的准则可以帮助器械设计人员在开发阶段评估导丝或导管的安全性，避免潜在的血管穿刺风险，从而提升介入手术的安全性。此外，研究还指出未来工作应关注组织损伤的长期效应（如炎症、再狭窄或血管痉挛），以及更复杂的尖端几何形状和不同基底柔顺性对损伤机制的影响。