Symulacja przepływu krwi w tętnicach przy różnych prędkościach przepływu

• Autorzy: Sobkowiak M. , Wolański W. , Kawlewska E. , Gzik M. , Joszko K. , Zimny M. , Kaspera W.

Warianty tytułu

EN

Simulation of blood flow in arteries for different flow rates

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki symulacji przepływu krwi w modelach 3D tętnicy środkowej mózgu przy różnych prędkościach przepływu. Do przeprowadzenia analizy właściwości przepływu krwi w tętnicach wykorzystano obliczeniową metodę mechaniki płynów CFD z zastosowaniem programu Ansys CFX. W symulacjach stosowano warunki brzegowe (prędkości przepływu) odpowiadające fizjologicznym warunkom przepływu danego pacjenta, które zmierzono metodą przezczaszkowej ultrasonografii dopplerowskiej z kolorowym kodowaniem przepływu krwi (TCCS). Uzyskane wyniki uwidoczniły zależność zmian lokalnych parametrów hemodynamicznych przepływu i wazomotoryki naczynia od zmian prędkości przepływu krwi, ale także od wahań częstości akcji serca oraz geometrii naczynia. Na podstawie otrzymanych rezultatów obliczeń numerycznych można odnotować generalną tendencję wzrostu wartości naprężenia ścinającego ścian naczynia wraz ze wzrostem prędkości przepływu.

EN

The paper presents results of simulations of blood flow in 3D models of middle cerebral artery for different flow rates. To analyze the arterial blood flow properties an analytical calculation of CFD fluid mechanics using the Ansys CFX software was used. In the simulations, boundary conditions (flow velocities) corresponding to the physiological flow conditions of the patient were applied which were measured by transcranial color-coded duplex sonography (TCCS). The results revealed the dependence of changes in local haemodynamic parameters of blood flow and vessel vasculature on changes in blood flow velocity but also on fluctuations in heart rate and vascular geometry. On the basis of the results obtained for numerical calculations, the general tendency of the wall shear stress to grow with increasing low velocity can be noted.

Słowa kluczowe

PL

CFD; mechanika płynów; tętnica środkowa mózgu; prędkość przepływu

EN

CFD; fluid mechanics; artery; flow rate

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej. Oddział Gliwice
• Czasopismo: Modelowanie Inżynierskie
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 35, nr 66
• Strony: 53--61
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz.

Twórcy

autor

Sobkowiak M.

• Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska

autor

Wolański W.

• Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska

autor

Kawlewska E.

• Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska

autor

Gzik M.

• Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska

autor

Joszko K.

• Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska

autor

Zimny M.

• Katedra i Oddział Kliniczny Neurochirurgii, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach, Wojewódzki Szpital Specjalistyczny nr 5, Studenckie Koło Naukowe, Sosnowiec

autor

Kaspera W.

• Katedra i Oddział Kliniczny Neurochirurgii, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach, Wojewódzki Szpital Specjalistyczny nr 5,Sosnowiec

Bibliografia

• 1. Stemper B.D., Yoganandan N., Stineman M.R., Gennarelli T.A., Baisden J.L., Pintar F.A.: Mechanics of fresh, refrigerated and frozen arterial tissue. “Journal of Surgica lResearch” 2007, vol. 139, p. 236–242.
• 2. Cho S.W., Kim S.W., Sung M.H., Ro K.C., Ryou H.S.: Fluid-structure interaction analysis on the effects of vessel material properties on blood flow characteristics in stenosed arteries under axial rotation. “Korea-Australia Rheology Journal” 2011, vol. 23, p. 7-16.
• 3. Cieślicki K.: Hydrodynamiczne uwarunkowania krążenia mózgowego. Warszawa: AOW EXIT, 2001.
• 4. Ferruzzi J., Vorp D.A., Humphrey J.D.: On constitutive descriptors of the biaxial mechanical behavior of human abdominal aorta and aneurysms. “J. R. Soc. Interface” 2011, No. 8, p. 435–450.
• 5. Gzik-Zroska B., Joszko K., Wolański W., Gzik M.: Development of new testing method of mechanical properties of porcine coronary arteries. In: “Information Technologies in Medicine. 5th International Conference, ITIB 2016”. Kamień Śląski. Springer, 2016, vol. 1, p. 289-297.
• 6. Humphrey J.D., Holzapfel G.A.: Mechanics, mechanobiology, and modeling of human abdominal aorta and aneurysms. “Journal of Biomechanics” 2012, vol. 45, p. 805–814.
• 7. Ingebrigsten T., Morgan M.K., Faulder K., Ingebrigsten L., Sparr T., Schirmer H.: Bifurcation geometry and the presence of cerebral artery aneurysms. “Journal of neurosurgery” 2004, vol. 101, p. 108-113.
• 8. Jiang J., Strother C.: Computational Fluid Dynamics Simulations of Intracranial Aneurysms at Varying Heart Rates: A “Patient-Specific” Study. “Journal of Biomechanical Engineering” 2009, vol. 131.
• 9. Lasheras J.C.: The Biomechanics of Arterial Aneurysms. “Annual Review of Fluid Mechanics” 2007, vol. 39, p. 293–319.
• 10. Melka B., Gracka M., Adamczyk W., Rojczyk M., Golda A., Nowak A.J., Białecki R.A., Ostrowski Z.: Multiphase simulation of blood flow within main thoracic arteries of 8-year-old child with coarctation of the aorta. “Heat and Mass Transfer” 2017, doi:10.1007/s00231-017-2136-y.
• 11. Murray C.D.: The physiological principle of minimum work. I. The vascular system and the cost of blood volume. Department of Biology, Bryn Mawr College, 1926.
• 12. Sun Q., Groth A., Aach T.: Comprehensive validation of computational fluid dynamics simulations of in-vivo blood flow in patient-specific cerebral aneurysms. “Medical Physics” 2012, vol. 39, p. 742-754.
• 13. Uylings H.: Optimization of diameters and bifurcation angles in lung and vascular tree structures. “Bull Math Biol” 1977, No. 39, p. 509-520.
• 14. Wolański W., Gzik-Zroska B., Joszko K., Gzik M., Sołtan D.: Numerical analysis of blood flow through artery with elastic wall of vessel. In: “Innovations in Biomedical Engineering, IiBE 2016”. Zabrze: Springer 2017, p. 193-200.
• 15. Valencia A., Burdiles P., Ignat M., Mura J., Bravo E., Rivera R., Sordo J.: Fluid structural analysis of human cerebral aneurysm using their own wall mechanical properties. “Hindawi Publishing Corporation, Computational and Mathematical Methods in Medicine” 2013, vol. 2013, DOI: 10.1155/2013/293128.

Uwagi

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