心血管疾病是威胁人类健康的头号疾病之一,通常都与血管狭窄甚至闭塞阻碍了血液正常流动有关。经皮冠状动脉支架成形术具有微创性和手术成功率高等优点成为治疗这类疾病的主要手段之一,其技术也得到了迅速的发展与提高,尤其是药物支架的出现,成为支架技术的一个重大突破,但支架内再狭窄(ISR)问题并没有彻底解决,ISR成为支架技术发展的主要潜在局限性因素。本博士论文立足于当前冠脉支架治疗心血管疾病的发展要求,以降低和预防支架内再狭窄现象为出发点,以改善冠脉支架的扩张性能、提高冠脉支架服役期的疲劳寿命和改善药物支架在血管内药物释放效用为目标,采用计算机辅助手段,主要完成了以下工作：1.建立了冠脉支架力学特性分析的一体化模型,用于研究冠脉支架在狭窄血管内扩张过程、支架植入后血管和支架内的血流状况,以及冠脉支架服役期的疲劳寿命分析的一体化过程。相对于现有模型在模拟求解支架内血流状况时通常忽略支架和血管组织扩张产生的不规则变形,该模型充分考虑了支架和血管组织扩张产生的不规则变形,使计算模型更加逼近真实情况。利用该一体化模型分析了支架在狭窄血管内扩张的力学特性,研究了支架内血流动力学状况以及血液与支架和血管的相互作用,并在此基础上对支架在血流作用下的疲劳寿命进行了评估。此外,还考察分析了冠脉支架的弯曲性能,揭示了支架弯曲性能随弯矩变化的规律,指出冠脉支架的连接支柱对其弯曲性能影响的重要性。研究表明,支架扩张过程中通常存在不均匀扩张的现象(即dogboning效应),支架在球囊卸载后存在径向弹性回缩,它们都与再狭窄有关；支架在血流载荷作用下的疲劳寿命与其长期安全性有关。2.针对冠脉支架设计中存在的设计目标与设计变量之间关系复杂且不能显式表达的困难,将kriging代理模型优化算法引入到冠脉支架的优化设计当中,发展了一种与冠脉支架有限元分析相结合的kriging代理模型优化算法,探索了在冠脉支架设计空间内具有全局搜索能力的优化设计方法,实现了冠脉支架在设计空间内的全局最优设计。然后针对提高冠脉支架扩张性能和疲劳寿命的优化设计中存在的三个关键问题进行了详细讨论,包括：(1)以支架几何结构为设计变量,以最小化支架dogboning效应为设计目标的优化设计,揭示了支架四个关键尺寸对dogboning效应的影响规律。(2)以球囊长度为设计变量,以最小化支架dogboning效应为设计目标的优化设计,揭示了球囊长度对dogboning效应的影响规律。(3)以冠脉支架几何结构为设计变量,以提高支架服役期疲劳寿命为目的的优化设计,提高了冠脉支架服役期的疲劳寿命,分析了冠脉支架的疲劳特点。最后为满足冠脉支架设计中多个设计指标的需要,采用分级优化和采用加权系数法分别实现了同时提高冠脉支架疲劳寿命和改善冠脉支架扩张性能的多目标优化设计和提高冠脉支架综合扩张性能的多目标优化设计,为冠脉支架设计中如何协调多个设计目标的问题提供了参考。优化结果表明,本文中发展的优化算法能有效地应用于冠脉支架单目标和多目标的优化设计,优化后冠脉支架的性能得到了显著提高,为冠脉支架设计提供崭新的思路和方法。3.针对药物支架药物释放问题中存在的药效时间难以控制的问题,建立了DES涂层药物在血管内释放的计算模型,该模型充分考虑了药物在各层内的扩张作用以及层间的渗透作用。采用该模型模拟分析了药物涂层支架的药物在血管内的释放过程,揭示了药物的释放规律,并分析了涂层厚度和涂层渗透率对药物释放的影响。在此模拟求解和分析的基础上,采用kriging代理模型优化算法,以延长涂层中药物释放的药效时间为目的,首次对药物支架的涂层进行了优化设计。结果表明：在携带药物总量一定的前提下,优化后涂层的药物具有更长的药效作用时间,实现了DES药物释放的药效时间的可控性。