Identification and modeling the pulsatile blood flow in the cardiovascular system using a zero-dimensional model in an electrical analogy

• Autorzy: Bandoła Dominika

Warianty tytułu

PL

Identyfikacja i modelowanie pulsacyjnego przepływu krwi w systemie krwionośnym przy użyciu zero–wymiarowego modelu w analogii elektrycznej.

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Advanced computer technology tools, like computational fluid dynamics (CFD) and knowledge about the functioning of the human blood circulatory system, structure of blood, behavior of vessels – allow improving understanding the process of blood distribution in human body. Complex simulation has to assume multiphase approach, walls elasticity and pulsating blood flow conditions, resulting from work of the heart [1]. In the presented work the blood flow and pressure were simulated. The characteristic impedance, peripheral resistance, capacitance in the systemic peripheral vascular beds had been taken into the consideration in electrical analogues as a lumped parameter model (LPM) of the circulatory system which will be implemented as a boundary conditions in the complete CFD model on the inlet of ascending aorta and on the outlets of descending aorta, innominate artery, left common artery and left subclavian artery [2]. The resistance in a vessel was modeled by electronic component – resistor. The blood flow is not stationary, it is stored (e.g. in the vessels and kidneys) just like energy in the capacitors. Coil is an analog to the inert tendency of blood, which mass resists to move due to the pressure difference. Furthermore it can be assumed that flow has only one direction – so vessels act like a diodes in electronic circles. Additionally the conservation of the mass principle has been applied converted into the Kirchhoff’s law [3].The realistic, time-course, lumped parameter (0D) model represents the cardiovascular system and is written in Matlab code, however it can be implemented in the external numerical modeling application (CFD) in the future.

PL

Zaawansowane komputerowe narzędzia wspomagania inżynierskiego, jak numeryczna mechanika płynów (CFD) oraz wiedza na temat funkcjonowania układu krążenia człowieka, struktury krwi, zachowania naczyń krwionośnych pozwalają na lepsze zrozumienie procesu dystrybucji krwi po organizmie. Kompleksowe symulacje muszą zakładać wielofazowość przepływu krwi, elastyczne ściany naczyń krwionośnych oraz pulsacyjny przepływ wynikający z charakterystyki pracy serca [1]. W prezentowanej pracy zamodelowano przepływ oraz ciśnienie krwi. Charakterystyczna impedancja, rezystancja oraz pojemność zostały wzięte pod uwagę w elektrycznej analogii jako model skupiony dużego układu krążenia, który zostanie zaimplementowany jako warunek brzegowy w kompletnym modelu CFD na wlocie do aorty wstępującej oraz na wylotach z pnia ramienno-głowowego, tętnicy szyjnej wspólnej lewej i tętnicy podobojczykowej lewej. Opór przepływu krwi w naczyniach jest analogiczny do oporu elektrycznego rezystora. Niestacjonarny przepływ regulowany przez elastyczne naczynia krwionośne można zasymulować używając kondensatora. Za pomocą cewki można opisać inercję krwi. Co więcej, zakładając, ze krew płynie tylko w jednym kierunku mimo zmiennego ciśnienia dzięki działaniu zastawek, w modelu można użyć w ich miejsce diod, które podobnie działają na przepływ prądu. Dodatkowo analogia elektryczna umożliwia zastosowanie zasady zachowania masy dzięki prawu Kirchhoffa [3]. Powstały model skupiony opisujący układ krążenia został napisany w programie Matlab, jednakże może być przepisany na język programowania C i zaimplementowany w zewnętrznym oprogramowaniu CFD.

Słowa kluczowe

EN

Windkessel model; boundary conditions; arterial pressure; blood flow; aorta

PL

model Windkessel'a; warunki brzegowe; ciśnienie tętnicze; przepływ krwi; aorta

• Wydawca: Instytut Techniki Cieplnej, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Śląska
• Czasopismo: Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 1
• Strony: 5--28
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Bandoła Dominika

Bibliografia

• [1] Eric J. Topol, Robert M. Califf, Textbook of Cardiovascular Medicine, Lippincott Williams & Wilkins, 2007
• [2] Marwan A. Simaan, George Faragallah, Yu Wang and Eduardo Divo. Left Ventricular Assist Devices: Engineering Design Considerations, New Aspects of Ventricular Assist Devices, Dr. Guillermo Reyes (Ed.), 2011
• [3] Hassanain Ali Lefta Mossa, Engineering Modeling of Human Cardiovascular System, The 1st Regional Conference of Eng. Sci. NUCEJ Spatial ISSUE vol.11, No.2, pp 307-314, 2008
• [4]Red. Jaroszyk F, Biofizyka. Podręcznik dla studentów, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, ISBN:9788320036763, 2013
• [5] Formaggia L., Quarteroni A., Veneziani A., Cardiovascular Mathematics. Modeling and simulation of the circulatory system, Springer-Verlag Italia, Milano, 2009
• [6] Wikipedia The Free Encyclopedia, Pulse [online] [access 2.02.2016] https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse
• [7] Tracey Morland , MBW: Womersley Arterial Flow, [online] [access 2.02.2016] https://mathbio.colorado.edu/index.php/MBW:Womersley_Arterial_Flow#cite_notewindkessel-7
• [8] Kerner D., Solving Windkessel Models with MLAB, [online] [access: 2.02.2016] http://www.civilized.com/mlabexamples/windkesmodel.htmld/ http://www.springer.com/us/book/9788847011519
• [9] Catanho M., Sinha M. Vijayan V., Model of Aortic Blood Flow Using the Windkessel Effect, 2012 [online] [access 2.02.2016] http://isn.ucsd.edu/classes/beng221/problems/2012/BENG221_Project%20-%20Catanho%20Sinha%20Vijayan.pdf
• [10] Cleve Corner, Ordinary Differential Equation Solvers ODE23 and ODE45, [online] http://blogs.mathworks.com/cleve/2014/05/26/ordinary-differential-equation-solvers-ode23- and-ode45/
• [11] Giovanni de Simone, MD; Richard B. Devereux, MD; Stephen R. Daniels, MD, PhD; GianFrancesco Mureddu, MD; Mary J. Roman, MD; Thomas R. Kimball, MD; Rosanna Greco, MD; Sandra Witt, RDCS; Franco Contaldo, MD, Stroke Volume and Cardiac Output in Normotensive Children and Adults, Assessment of Relations With Body Size and Impact of Overweight, 1996
• [12] Figueroa A., Sharma P., Mansi T., Wilson N., CFD Challenge: Simulation of Hemodynamics in a Patient-Specific Aortic Coarctation Model, 2012 [online] [access: 14.02.2016 ] http://www.vascularmodel.org/miccai2012/miccai-2012-cfd-challengedescription.pdf
• [13] Rojczyk M., Ostrowski Z., Adamczyk W., Melka Bartłomiej, Bandoła D., Gracka M., Knopek A., Nowak A. J.,Gołda A., CFD analysis of blood flow within aorta of patient with coarctation of aorta, 2016

Uwagi

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