Identification and modelling of the pulsatile blood flow in section of elastic large blood vessel

• Autorzy: Nowak Marcin

Warianty tytułu

PL

Identyfikacja i modelowanie pulsacyjnego przepływu krwi w odcinku dużego, elastycznego naczynia krwionośnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Modelling of the blood flow process using computational fluid dynamics (CFD) and finite element method (FEM) can improve considerably understanding, diagnosis and prevention of cardiovascular diseases in non-invasively way. Moreover, studying of processes inside human body helps to develop products that interacts with organism. For example, automotive and sport industry find it very useful for designing their products, reducing the cost for R&D at the same time. The aim of this study is to create a model of the blood flow in elastic blood vessel. Assumption of rigid blood vessel wall decreases the correctness of results, especially when the vessel undergoes quite large deformations. During cardiac cycle, the fluid flow induces forces from the time-varying blood pressure and wall shear stress. These forces causes strains of elastic vessels, which result in modification of the flow area. This was the motivation of using FluidStructure-Interaction (FSI) method. In this research a real geometry model from 8-year old female patient with a moderate thoracic aortic coarctation (CoA) was analyzed. The geometry was obtained by gadoliniumenhanced Magnetic Resonance Angiography (MRA). Model includes ascending aorta, arch of aorta, descending aorta, brachiocephalic artery with right subclavian and right common carotid artery, left common carotid artery, left subclavian artery. Due to the lack of the detailed data concerning arterial wall geometry, the wall thickness was calculated as 10% of the effective vessel radius. The simulation was performed using 2-way iteratively implicit approach of FSI. This approach couples two numerical solvers: ANSYS Mechanical (Finite Element Method) and ANSYS Fluent (Finite Volume Method). Pulsatile flow profile was implemented via User Defined Function (UDF) to mimic the cardiac cycle. This UDF consist of five polynomials created on twenty measuring points. The blood flow was modelled as laminar, single-phase, using non-Newtonian Carreau viscosity model.

PL

Modelowanie procesu przepływu krwi oparte na numerycznej mechanice płynów oraz metodzie elementów skończonych może znacznie poprawić zrozumienie, diagnozę i profilaktykę chorób układu krążenia w sposób nieinwazyjny. Co więcej, analiza procesów zachodzących wewnątrz ludzkiego ciała pomaga w rozwoju produktów oddziałujących w pewien sposób na organizm. Przykładowo, w przemyśle samochodowym oraz sportowym jest ona niezwykle użyteczna na etapie projektowania produktu, jednocześnie zmniejszając nakład finansowy na badania i rozwój. Celem niniejszego badania było utworzenie modelu przepływu krwi w elastycznym naczyniu krwionośnym. Założenie nieodkształcalności ścian obniża poprawność wyników, szczególnie, gdy naczynie poddawane jest stosunkowo dużym odkształceniom. Podczas cyklu pracy serca, przepływ płynu wywiera siły wynikające ze zmiennego w czasie ciśnienia krwi i naprężeń ścinających. Siły te powodują odkształcenia elastycznych naczyń, co skutkuje modyfikacją powierzchni przepływu. Proces ten był argumentem do użycia metody Fluid-Structure Interaction. W badaniu wykorzystano rzeczywistą geometrię od ośmioletniej pacjentki z koarktacją części piersiowej aorty. Geometrię uzyskano na drodze wzmocnionej angiografii (MRA). Model zawiera aortę wstępującą, zstępującą, łuk aorty oraz górne odgałęzienia. Z powodu braku szczegółowych danych dotyczących geometrii ścian naczyń, ich grubość została założona jako 10% lokalnego promienia. Symulacja została przeprowadzona przy użyciu obustronnego sprzężenia. Podejście to jest związane z dwiema aplikacjami: ANSYS Mechanical (Metoda Elementów Skończonych) oraz ANSYS Fluent (Metoda Objętości Skończonych). Pulsacyjny profil przepływu krwi został zaimplementowany przy użyciu procedur definiowanych przez użytkownika (UDF – User Defined Function). Jest on złożony z pięciu wielomianów, utworzonych na bazie dwudziestu punktów pomiarowych. Przepływ krwi został zamodelowany jako jednofazowy, a płyn jako nienewtonowski (model Carreau).

Słowa kluczowe

EN

CFD; FSI; blood flow; aorta; vessel compliance

PL

CFD; FSI; przepływ krwi; aorta; odkształcalność naczyń

• Wydawca: Instytut Techniki Cieplnej, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Śląska
• Czasopismo: Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 3
• Strony: 5--30
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Nowak Marcin

• Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska

Bibliografia

• [1] Alishahi M. M. et al, Numerical simulation of blood flow in a flexible stenosed abdominal real aorta, Scientia Iranica B (2011) 18 (6), 1297–1305
• [2] ANSYS Academic Research, Release 17.0; Help System, UDF Manual, System Coupling User's Guide, ANSYS, Inc.
• [3] Bandoła D., Identification and modeling the pulsatile blood flow in the cardiovascular system using a zero-dimensional model in an electrical analogy, Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej Vol. 1 nr 1(2016)
• [4] Bazilevs Y., Takizawa K., Tezduyar T., Computational fluid-structure interaction . Methods and applications, Wiley series in computational mechanics, John Wiley & Sons, 2013
• [5] Catanho M., Sinha M. Vijayan V., Model of Aortic Blood Flow Using the Windkessel Effect, 2012 [online] [access 27.06.2017] http://isn.ucsd.edu/classes/beng221/problems/2012/BENG221_Project%20%20Catanho%20S inha%20Vijayan.pdf
• [6] Cho Young, Effects of the non-Newtonian viscosity of blood flows in a diseased arterial vessel. Part I: steady flows, Biorheology, February 1991
• [7] Crosetto P. et al., Fluid-structure interaction simulation of aortic blood flow, Computers & Fluids 43 (2011) 46-57
• [8] Geomagic Design X 2014 User Guide
• [9] Górski J., Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego, Wydawnictwo lekarskie PZWL, 2006
• [10] Kahveci K., Becker B., A numerical model of pulsatile blood flow in compliant arteries of a truncated vascular system, International Communications in Heat and Mass Transfer 67 (2015) 51-58
• [11] Kenner T., The measurement of blood density and its meaning, Basic Research in Cardiology (1989) 84:111-124
• [12] Liu B., Tang D., Influence of non-Newtonian Properties of Blood on the Wall ShearStress in Human Atherosclerotic Right Coronary Arteries, Mol Cell Biomech (2011) 8(1):73- 90, doi: 10.3970/mcb, 2011
• [13] Neidlin M. et al., Investigation of hemodynamics during cardiopulmonary bypass: A multiscale Multiphysics fluid-structure-interaction study, Medical Engineering and Physics (2016) 38(4):380–390
• [14] Reymond P. et al, Physiological simulation of blood flow in the aorta: Comparison of hemodynamic indices as predicted by 3-D FSI, 3-D rigid wall and 1-D models, Medical Engineering & Physics 35 (2013) 784– 791
• [15] Versteeg H. K., Malalasekera W., An introduction to computational fluid dynamics, Pearson education, 2007
• [16] BioVox.eu, Virtual Physiological Human [online] [access 1.06.2017] http://biovox.eu/insights/detail/your-body-modeled-in-a-computer
• [17] CFD Challenge problem: http://www.vascularmodel.org/miccai2012 (accessed June 10th 2017)

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).