Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Numerical analysis of the VAD out flow cannula positioning on the blood flow in the patient-specific brain supplying arteries

Tyfa Z., Obidowski D., Jóźwik K.

Mechanics and Mechanical Engineering

|

2018

|

Vol. 22, nr 2

619--635

EN

The primary objective of this research can be divided into two separate aspects. The first one was to verify whether own software can be treated as a viable source of data for the Computer Aided Design (CAD) modelling and Computational Fluid Dynamics CFD analysis. The second aspect was to analyze the influence of the Ventricle Assist Device (VAD) outflow cannula positioning on the blood flow distribution in the brain-supplying arteries. Patient-specific model was reconstructed basing on the DICOM image sets obtained with the angiographic Computed Tomography. The reconstruction process was performed in the custom-created software, whereas the outflow cannulas were added in the SolidWorks software. Volumetric meshes were generated in the Ansys Mesher module. The transient boundary conditions enabled simulating several full cardiac cycles. Performed investigations focused mainly on volume flow rate, shear stress and velocity distribution. It was proven that custom-created software enhances the processes of the anatomical objects reconstruction. Developed geometrical files are compatible with CAD and CFD software - they can be easily manipulated and modified. Concerning the numerical simulations, several cases with varied positioning of the VAD outflow cannula were analyzed. Obtained results revealed that the location of the VAD outflow cannula has a slight impact on the blood flow distribution among the brain supplying arteries.

2

Modified virtual blade method for propeller modelling

Stajuda M., Obidowski D., Karczewski M., Jóźwik K.

Mechanics and Mechanical Engineering

|

2018

|

Vol. 22, nr 2

603--617

EN

The emergence of large, propeller-based aircraft has revived interest in propeller design and optimization with the use of numerical methods. The flow complexity and computational time necessary to solve complicated flow patterns trailing behind rotating blades, created a need for faster than fully resolved 3D CFD, yet comparably accurate methods for validating multiple design points in shorter time. Improved Virtual Blade Method (VBM) for 2-bladed propeller, including method implementation, analysis and validation against 3D numerical and experimental data is presented. The study introduces adjustments to the original method, accounting for differences between VBM and fully resolved numerical models. These modifications prove to increase the model accuracy for the propeller under consideration and could potentially be applied for different blade configurations as well. The modified Virtual Blade Method allows one to compute the propeller performance with comparable accuracy to 3D CFD computation using only 10% of time needed for one computational point.

3

Numerical simulations of the pulsatile blood flow in the different types of arterial fenestrations: Comparable analysis of multiple vascular geometries

Tyfa Z., Obidowski D., Reorowicz P., Stefańczyk L., Fortuniak J., Jóźwik K.

Biocybernetics and Biomedical Engineering

|

2018

|

Vol. 38, no. 2

228--242

EN

In medical terms, fenestration stands for an anomaly within the circulatory system in which the blood vessel lumen is divided into two separate channels that rejoin in the distal part of this vessel. The primary objective of this research was to analyze the impact of the left vertebral artery (LVA) and basilar artery (BA) fenestrations on the blood flow characteristics in their regions and downstream, in the cerebral circulation. The geometrical data, obtained from the angio-Computed Tomography, were the basis for the generation of a 3D model in SolidWorks 2015. In order to observe the flow characteristics within the whole spatial domain, computational fluid dynamics was involved in performing simulations of the blood flow in the patient-specific arterial system (beginning with the aortic arch and finishing with the Circle of Willis). To examine the flow distribution changes resulting from altered fenestration geometries, additional models were built. The blood flow velocity, volume flow rate and shear stress distribution were analyzed within this study. It was proven that the length/size/ position of the fenestration altered the flow characteristics in different manners. The investigations showed that the patient-specific LVA, at the V3 section (extracranial part of the artery located between the spine and the skull), is not a reason of aneurysm formation. However, BA fenestration at the proximal segment might be a possible reason of future aneurysm formation. It was proven that the computational fluid dynamics tool could support medical diagnostic procedures and multivessel brain vascular disease treatment planning.

4

Sterowanie przepływem jako narzędzie dla zwiększenia efektywności sorbera przepływowego

Sobczak K., Obidowski D., Kocemba I., Maćkiewicz E., Jóźwik K., Pietrasik R., Szynkowska M. I.

Przemysł Chemiczny

|

2017

|

T. 96, nr 7

1600--1604

PL

Zaprezentowano użyteczność metod numerycznej mechaniki płynów dla zwiększenia skuteczności sorpcji sorbera przepływowego. Przedstawione zjawisko zachodzi w układach przepływowych, dla których prędkości płynącego czynnika nie zapewniają odpowiedniego stopnia jego mieszania, a tym samym czynnik sorbowany ma utrudniony dostęp do powierzchni sorbującej. Prędkość przepływu jest zbyt mała, aby zachodził przepływ burzliwy, a zbyt duża, aby mogło zachodzić efektywne zjawisko dyfuzji.

EN

The efficiency of Hg vapor sorption from the gas stream flowing through an absorber (flow rate 0.5–167 cm³/s) was detd. exptl. on an sulfonitrided steel sheet. The increase of gas velocity resulted in a decrease in sorption efficiency. Computer simulations of the sorption process were performed. The factors causing growth of gas flow turbulence (the distances between the absorber elements and their position relative to the flowing gas) had a significant influence on the process.

5

Blood flows in end-to-end arteriovenous fistulas: Unsteady and steady state numerical investigations of three patient-specific cases

Jodko D., Obidowski D., Reorowicz P., Jóźwik K.

Biocybernetics and Biomedical Engineering

|

2017

|

Vol. 37, no. 3

528--539

EN

The arterio-venous fistula is a widely accepted vascular access for haemodialysis - a treatment for the end-stage renal disease. However, a significant number of complications (stenoses, thromboses, aneurysms) of fistulas can occur, which are related to the geometry of the anastomosis and the local abnormal hemodynamics. Local flow conditions, in particular the wall shear stress (WSS), are thought to affect sensitive endothelial cells on the inner vessel wall, which leads to intimal hyperplasia. This study presents the results obtained from numerical simulations of the blood flow through three patient-specific end-to-end fistulas which were assessed to be more likely dysfunctional than the end-to side ones. Unsteady and comparative steady-state simulations of blood flow were performed in ANSYS CFX. The obtained results show behaviour of the blood, velocity fields, shear strain, vorticity range, blood viscosity changes, a WSS distribution on vessel walls and give information about the flow rate in the veins receiving blood from fistulas. Blood flow animations are attached to the online version of the paper. Numerical methods seem to be the only opportunity to provide complete information on the distribution and range of the WSS for complicated shapes of blood vessels used to fistula creation, however the WSS is strongly dependent on the local geometry and mesh quality. High values of the shear strain, associated with elevated values of shear stress, found in each model, could increase a risk of haemolysis. High shear environment with raised vorticity can result in activation of platelets and further platelet aggregation and thrombosis.

6

Radial fan controlled with impeller movable blades – CFD investigations

Jóźwik K., Papierski A., Sobczak K., Obidowski D., Kryłłowicz W., Marciniak E., Wróbel G., Marciniak A., Wróblewski P., Kobierska A., Frącczak Ł., Podsędkowski L.

Transactions of the Institute of Fluid-Flow Machinery

|

2016

|

nr 131

17--40

EN

Modern classical power generation systems, based on power plants in Poland, where coal (hard bituminous coal or lignite) is the primary energy source, operate under variable loading conditions. Thus, all machines working in the technological system of the power generation unit are required to be adapted to variable loading, and, consequently, to operate beyond the design point of their performance characteristics. High efficiency of the process requires the efficiency of individual devices to be high, beyond the design point, as well. For both air and exhaust gases fans, an effective control system is needed to attain a high level of efficiency. As a result of cooperation between two institutes from the Faculty of Mechanical Engineering, Lodz University of Technology, and the Vibroson company, a new design of the radial fan with impeller movable blades, which allows for controlling the device operation within a wide range, has been developed. This new design and determination the performance characteristics for two geometrical variants of blades with computational fluid dynamics methods are presented. The obtained results have been compared to the results of the measurements of fan performance curves conducted on the test stand.

7

Development of a CFD model for propeller simulation

Stajuda M., Karczewski M., Obidowski D., Jóźwik K.

Mechanics and Mechanical Engineering

|

2016

|

Vol. 20, nr 4

579--593

EN

The article presents a development of numerical model for a single propeller simulation and comparison of obtained results with experimental data available from a test campaign in scale 1:1. Described simulation is a steady state computation taking advantage of Multiple Reference Frame model implemented in Ansys CFX. The paper includes an analysis of rotating domain thickness influence on numerical values of thrust and power. The results indicate that this type of simulation may be sensitive to the sizing of rotating domain especially when disc solidity is low, or when the number of blades is 2, a frequent situation in all electric flight vehicles. The analysis shows that performing simulations, using one domain sizing, for a number of flight scenarios requiring analysis of a few rotational speeds can produce unintuitive results. Therefore, it is suggested to calibrate the model, preferably by experimental results.

8

Numerical investigations of the unsteady blood flow in the end-to-side arteriovenous fistula for hemodialysis

Jodko D., Obidowski D., Reorowicz P., Jóźwik K.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2016

|

Vol. 18, no. 4

3--13

EN

Purpose: The aim of this study was to investigate the blood flow in the end-to-side arteriovenous (a-v) fistula, taking into account its pulsating nature and the patient-specific geometry of blood vessels. Computational Fluid Dynamics (CFD) methods were used for this analysis. Methods: DICOM images of the fistula, obtained from the angio-computed tomography, were a source of the data applied to develop a 3D geometrical model of the fistula. The model was meshed, then the ANSYS CFX v. 15.0 code was used to perform simulations of the flow in the vessels under analysis. Mesh independence tests were conducted. The non-Newtonian rheological model of blood and the Shear Stress Transport model of turbulence were employed. Blood vessel walls were assumed to be rigid. Results: Flow patterns, velocity fields, the volume flow rate, the wall shear stress (WSS) propagation on particular blood vessel walls were shown versus time. The maximal value of the blood velocity was identified in the anastomosis – the place where the artery is connected to the vein. The flow rate was calculated for all veins receiving blood. Conclusions: The blood flow in the geometrically complicated a-v fistula was simulated. The values and oscillations of the WSS are the largest in the anastomosis, much lower in the artery and the lowest in the cephalic vein. A strong influence of the mesh on the results concerning the maximal and area-averaged WSS was shown. The relation between simulations of the pulsating and stationary flow under time-averaged flow conditions was presented.

9

Angular position determination of heart valves in the pediatric ventricular assist device with use of computational fluid dynamics

Jodko D., Obidowski D., Reorowicz P., Kłosiński P., Jóźwik K.

Aktualne Problemy Biomechaniki

|

2014

|

z. 8

57--62

EN

This study shows a method than can be used to determine the best angular position of heart valves installed at the inlet and the outlet of a blood chamber during the diastolic phase with use of Computational Fluid Dynamics (CFD). Steady state simulations of the blood flow through the blood chamber of Pediatric Ventricular Assist Device (PVAD) have been performed with ANSYS CFX 14.0. Main assumptions in the present paper have included: motionless discs, rigid walls, non-Newtonian model of blood. The obtained results show that areas of blood stagnation in the blood chamber are smallest for one particular angular position of the inlet valve and are not significantly dependent on the angular position of the outlet valve.

10

Simulations of the blood flow in the arterio-venous fistula for haemodialysis

Jodko D., Obidowski D., Reorowicz P., Jóźwik K.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2014

|

Vol. 16, no. 1

69--74

EN

The Ciminio-Brescia arterio-venous fistula is a preferred vascular access for haemodialysis, but it is often associated with the development of vascular complications, due to changes in hemodynamic conditions. Computational fluid dynamics methods were involved to carry out seven simulations of the blood flow through the fistula for the patient specific (geometrical) case and various boundary conditions. The geometrical data, obtained from the angio-computed tomography, were used to create a 3-dimensional CAD model of the fistula. The blood flow patterns, blood velocity and the wall shear stress, thought to play a key role in the development of typical complications (stenoses, thromboses, aneurysms, etc.), have been analyzed in this study. The blood flow is reversed locally downstream the anastomosis (where the artery is connected to the vein) and downstream the stenosis in the cannulated vein. Blood velocity reaches abnormal value in the anastomosis during the systolic phase of the cardiac cycle (2.66 m/s). The wall shear stress changes in this place during a single cycle of the heart operation from 27.9 to 71.3 Pa (average 41.5 Pa). The results are compared with data found in the literature.

11

Numerical analysis of an influence of the artificial valve type on the blood flow inside the ventricular assist device

Klosinski P., Reorowicz P., Obidowski D., Jozwik K.

Computer Methods in Materials Science

|

2011

|

Vol. 11, No. 1

209-214

EN

A Ventricular Assist Device (VAD) is used in case of severe heart illnesses when the natural heart supplies the body with an insufficient volume of blood. Any damage or improper fiinctioning of the VAD can result in the patienfs death. This implies the constant need to improve the design of VADs and artificial valves which are crucial parts of the device. The authors used the latest Computer Aided Design and Computational Fluid Dynamics software to analyze the flow in the pneumatic Ventricular Assist Device designed at the Foundation of Cardiac Surgery Development and eąuipped with two different types of valves. In the study, a single-disc mechanical artificial heart valve based on the invention of Prof. J.J. Moll, modified at the Institute of Turbomachinery, TU Lodz, was compared with a three-leaflet polyurethane artificial heart. A comparison was made on the basis of the flow visualization inside the VAD chamber and the size of stagnation regions where the flowing blood may coagulate. An angular position of the disc valve was determined on the basis of the previous studies. A steady state simulation was performed on the assumption that walls of the assist device, adapters and valves were rigid. Dynamie viscosity of blood was defined on the basis on the Non-Newtonian Power Law. Simulations were preformed for systole and diastole conditions. The Ansys CFX vi2 code was used to perform preprocessing, solving and postprocessing stages. Deformations of the three-leaflet polyurethane valve were obtained in SolidWorks 2009 and imported to Ansys ICEM v. 12. On the basis of the preformed analysis, it has been proven that the disc mechanical heart valve generates better flow conditions inside the heart chamber, especially if a risk of coagulation is concerned. Moreover, the flow observed inside the chamber when the disc valve was used is more homogenous and a single swirl occurring in the central part enables good washing of the connection of the diaphragm and chamber regions.

PL

Gdy lewa komora serca nie pracuje prawidłowo, to jest zastępowana protezą - pulsacyjną komorą wspomagania pracy serca (VAD, z ang. ventricular assist device), którą często wykonuje się z poliuretanu (PU) i naniesionej za pomocą metody PLD (osadzenie laserem impulsowym) biokompatybilnej powłoki TiN. Otrzymywane duże wartości ściskających naprężeń własnych, są najwyższe ze wszystkich mierzonych, gdy powłokę TiN nanosi się metodą PLD. Celem niniejszej pracy jest opracowanie programu komputerowego wykorzystującego metodę elementów skończonych (MES) do wieloskalowego modelowania stanu odkształceń i naprężeń dla komory krwistej zbudowanej z PU/TiN, który to program będzie wykorzystywany do określania najbardziej niebezpiecznych miejsc ze względu na możliwe uszkodzenia materiału powierzchni komory, jakie mogą się pojawiać w warunkach pracy komory. Algorytmy wykorzystywane do tworzenia siatki elementów skończonych, implementacja warunków brzegowych i otrzymane rozwiązanie numeryczne zaprezentowano w niniejszej pracy. Opracowany kod MES jest oparty na nowym podejściu do symulowania materiałów wielopowłokowych otrzymywanych metodą PLD. Model w skali mikro zawiera dwa składniki: model naprężeń własnych (naprężeń początkowych) powstałych w procesie nanoszenia powłok i model obciążeń zadawanych w komorze krwistej VAD. Przewidywane w modelu rozkłady naprężeń i odkształceń pomagają określić dokładnie te strefy komory krwistej, które można zdefiniować, jako obszary będące źródłem jej uszkodzeń

12

Modeling of pulsating flow in a collapsible wall

Veshkina N., Zbiciński I., Obidowski D.

Inżynieria i Aparatura Chemiczna

|

2010

|

Nr 1

117-118

EN

The paper presents the methodology for verification of Fluid Structure Interaction (FS1) model for silicone pipe reflecting pulsating blood vessel in human body. The 3-term Yeoh model for strain energy density function was used in order to describe nonlinear behavior of siliconc material. To dctcr-:. mine the boundary conditions for CFD simulations our own experimental set-up was designed. A good agreement between simulation and experiment was achieved.

PL

W artykule przedstawiono metodę weryfikacji modelu (FSI) dla silikonowej rurki odzwierciedlającej zachowanie pulsującego naczynia krwionośnego z przepływającą wewnątrz krwią. Przy pomocy trój członowego modelu Yeoha funkcji gęstości energii naprężenia rozważono nieliniowe zachowanie materiału silikonowego. Aby uzyskać warunki brzegowe do symulacji CFD przeprowadzono badania na specjalnie do tego celu zbudowanej aparaturze. Otrzymano dobre dopasowanie danych z symulacji do eksperymentu.

13

Requirements and limitations for biomaterials in the ventricular assist device designing process

Jóźwik K., Obidowski D.

Engineering of Biomaterials

|

2010

|

Vol. 13, no. 96-98

140--143

14

Symulacje przepływu krwi przez koło tętnicze mózgu - analiza wpływu modelu krwi na przepływ

Obidowski D., Jóźwik K., Reorewicz P.

Zeszyty Naukowe. Cieplne Maszyny Przepływowe - Turbomachinery / Politechnika Łódzka

|

2009

|

nr 135

81-90

PL

Zapewnienie właściwego ukrwienia mózgu jest niezbędne dla prawidłowego działania całego organizmu. Zadnie to realizowane jest poprzez koło tętnicze mózgu (zespół połączonych tętnic). W eksperymencie numerycznym posłużono się geometrią uzyskaną w wyniku rekonstrukcji naczyń pacjenta na podstawie badań tomografii komputerowej, dokonano porównania modeli krwi (newtonowskiego oraz Power Law) - symulacje przepływu wykonano z uwzględnieniem wpływu grawitacji.

EN

A sufficient blood flow in the brain is crucial for proper operation of the whole organism. This task is done by a unique connection of the artery system. The main arteries are a pair of carotid arteries and a pair of vertebral arteries. The present numerical experiment is conducted in the patient specific arterial system that has been recreated with use of Computer Tomography images. Blood was modelled as a Newtonian and Non-Newtonian fluid (Power Law model). The gravity force was included in calculation procedure.

15

Modyfikacje komory wspomagania pracy serca w oparciu o metody numeryczne

Jóźwik K., Obidowski D., Kłosiński P.

Zeszyty Naukowe. Cieplne Maszyny Przepływowe - Turbomachinery / Politechnika Łódzka

|

2009

|

nr 135

61-68

PL

W sytuacji zagrożenia ciągłości pracy serca życie ludzkie jest narażone na olbrzymie niebezpieczeństwo. Na potrzeby wspomagania pracy tego narządu oraz w celu jego zastąpienia zbudowano wiele różnych typów urządzeń. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki symulacji przepływu w pompie pulsacyjnej zasilanej pneumatycznie, która została stworzona na potrzeby wspomagania pracy serca pacjenta. W oparciu o metody numeryczne możliwe jest przeprowadzanie symulacji pracy komory wspomagania pracy serca z różnymi modyfikacjami konstrukcyjnymi. Przeprowadzone badania ilustrują wpływ ustawienia kątowego zastawek wlotowej i wylotowej na charakter przepływu w czaszy krwistej. Celem badań jest znalezienie takiego położenia kątowego zastawek, dla którego zminimalizowane zostanie ryzyko wykrzepiania krwi.

EN

Life is highly threaded in case of a failure of heart continuous and proper work. Artificial heart prostheses as well as heart assisting devices were built to protect and solve different problems connected with heart diseases. The present work is dedicated to the numerical experiment showing flow characteristics in the pneumatically driven pulsating blood pump used as a heart assisting device. Computational Fluid Dynamics methods allow one to simulate operation of the device with different structure modifications. The research was made to show an influence of changing angle of the artificial valve in the inlet and outlet channel on the flow parameters inside of the blood diving part of the device. The aim of the study is to find out positions of the valves that minimize blood coagulation risk

16

3D simulations of diamond microfluidic devices

Witkowski D., Obidowski D., Łysko J., Karczemska A.

Engineering of Biomaterials

|

2009

|

Vol. 12, no. 86

14-16

EN

The aim of this study was to optimize the diamond microfluidic device with four microchannels. The temperature distributions in electrophoretic microchips of different geometries and different materials have been analyzed by the Coventor software. Diamond microfluidic devices are very advantageous over glass or polymer microfluidic devices; they dissipate Joule heat much more efficiently because of the highest thermal conductivity coefficient of diamond.

17

Numerical Study of a Flow in the Cerebral Arterial Circle

Obidowski D., Jozwik K., Reorowicz P.

Computer Methods in Materials Science

|

2009

|

Vol. 9, No. 1

79-84

EN

Blood is supplied to the brain by two internal carotid and two vertebral arteries. These arteries join to form the cerebral arterial circle (also called the Circle of Willis or CoW). This unique arrangement of human vessels ensures blood supply to the brain despite of any pathology in the geometry of arteries supplying the brain. Computed Tomography was used in this case for imagining the CoW as well as the arteries supplying it. The images obtained during the test were used to develop numerical model of one particular patient?s vessels geometry. Finally, with the use of numerical methods it is possible to simulate a realistic flow within the region where no other method can be used and thus one can analyze an influence of the pathological narrowing onto the cerebral perfusion. Using Computed Tomography large series of two-dimensional X-ray images were taken along the patient's axis during one test. The distance between single images is 0.6 mm. Vessels as they are soft tissues have to be visualized by contrast. Having these images, a three-dimensional path of the single artery was studied and its geometry was generated in CAD software (SolidWorks). Then, 3D mesh was generated using CFX Mesh code. Numerical experiment was carried out for different velocities within the physiological range. Blood was modeled as a Newtonian fluid.

PL

Głównymi tętnicami dostarczającymi krew do mózgu są dwie tętnice szyjne wewnętrzne oraz dwie tętnice kręgowe. Naczynia te łączą się w jamie czaszki tworząc koło tętnicze mózgu (koło Willisa). Układ ten ma za zadanie zapewnienie prawidłowego ukrwienia mózgu bez względu na zmiany patologiczne w geometrii naczyń zasilających mózg. W pracy tej posłużono się komputerową tomografią,jako sposobem obrazowania naczyń krwionośnych. Zastosowanie obrazów z TK pozwoliło na zbudowanie modelu numerycznego koła Willisa dla indywidualnego przypadku danego pacjenta. W chwili obecnej posługując się metodami numerycznymi możliwe jest odtworzenie rzeczywistego przepływu w obszarze, jak i zbadać wpływ anomalii w budowie na ukrwienie mózgu. Podstawą do zbudowania modelu były serie obrazów pozyskanych w czasie badania badania z wykorzystaniem tomografii komputerowej. W metodzie tej generowany jest obraz 2D na płaszczyznach prostopadłych do głównej osi pacjenta. Płaszczyzny oddalone są od siebie o 0,6 [mm]. Dla uwidocznienia naczyń krwionośnych, które są tkanką miękką, dodano środka kontrastowego. Na podstawie tych obrazów odwzorowano trójwymiarową ścieżkę osi każdego z kanałów. Kolejnym etapem było przeniesienie danych do programu SolidWorks. Następnie wygenerowana została siatka przestrzenna, do wykonania której wykorzystano oprogramowanie CFX Mesh. Symulacje przeprowadzone zostały dla różnych charakterystycznych wartości prędkości z zakresu prędkości fizjologicznych występujących w układzie krwionośnym. Krew została zdefiniowana jako ciecz Newtonowska.

18

Numerical simulations of Joule heating and its effects in diamond microfluidic devices

Lysko J. M., Witkowski D., Obidowski D., Karczemska A.

Computer Methods in Materials Science

|

2009

|

Vol. 9, No. 1

97-103

EN

Microfluidic devices known also as labs-on-chip, capillary electrophoresis microchips or micro total analysis systems (mi-TAS) were introduced in 1990's for the first time. These devices have attracted much attention over the last years. They transfer tiny quantities of samples and reagents, through a system of microchannels and microchambers manufactured on the surface of a small plate. They are made up of different materials, most often of polymers (PDMS, PMMA), glass or silicon. Microfluidic devices are applied in many areas including separations of biomolecules (DNA or proteins), DNA amplification and sequencing, chemical synthesis, single cell analysis, environmental monitoring etc. They often integrate many steps of analysis such as sample preparation, separation and detection on a small, single chip. In this paper we study electrophoresis microchips. Joule heating and its effects, i.e., the temperature growth leading to temperature gradients in microfluidic devices, lead to many problems during chip electrophoresis. Sample band dispersion (low column separation efficiency), reduction of analysis resolution, destruction of thermally labile biomolecules or formation of vapor bubbles are the negative effects of Joule heating. In our research we compare diamond, glass and PDMS microfluidic devices. Microchips of different geometries and of different materials have been analyzed by the Conventor? software. Diamond reveals exceptionally good electro-thermo-opto-chemical parameters, is very useful in the range of biomolecular separations (such as electrophoresis) and for optical detection methods. Among them, the most important are: the highest-ever thermal conductivity coefficient, good optical transparency, very high electrical breakdown voltage, good chemical resistance and mechanical durability. Diamond microfluidic devices are very advantageous over glass or polymer microfluidic devices commonly used. They dissipate Joule heat much more efficiently because of the highest-ever thermal conductivity coefficient of diamond. Literature: [1] D.Erickson, 2005, Towards numerical prototyping of labs-on-chip: modelling for integrated microfluidic devices, Review, Microfluid Nanofluid (2005) 1: 301-318. [2] G.Tang, D.Yan, Ch.Yang, H.Gong, Ch.Chai, Y.Lam, Joule heating and its effects on electrokinetic transport of solutes in rectangular microchannels, Sensors and Actuators A 139 (2007) 221-232. [3] A.Karczemska, D.Sideris, J.Hassard, K.Jóźwik, E.Mitura, Electrophoretic chips for DNA and protein separations ? Joule heating dissipation, VI Sympozjum Modelowanie I pomiary w medycynie MPM,2004, 9-13 maja 2004, Krynica. [4] A.Karczemska, A.Sokołowska, Materials for DNA sequencing chip; Journal of Wide Bandgap Materials, Vol. 9, No. 4 April (2002) 243. [5] J.Łysko, D.Witkowski, D.Obidowski, A.Karczemska, Numerical Simulation of Diamond Microfluidic Device for Biomolecules? Electrophoretic Separations, Abstract in conference procedings, 19th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes and Nitrides, 7-11 September 2008, Sitges, Spain. Acknowledgements: Research supported by the project ?Diamond Microfluidic Devices for Genomics

PL

W publikacji są omawiane przyrządy mikrofluidyczne, znane również jako laboratorium na strukturze (ang. lab-on-chip, LoC), elekroforetyczne mikrostruktury kapilarne lub miniaturowe) układy do całościowej analizy biochemicznej (ang. micro analysis systems, mi-TAS). Były one wprowadzone do użytku po raz pierwszy w latach 1990, a ponad to skupiały na sobie dużo uwagi w ciągu minionych ostatnich lat. Do pomiarów z ich użyciem potrzebne są bardzo małe objętości próbek i odczynników (bardzo kosztowne). Są one transportowane przez system mikrokanałów i mikrokomór wytworzonych na powierzchni małych płytek podłożowych z różnego rodzaju materiałów. Najczęściej z polimerów (PDMS, PDMA), szkła ) krzemu. Przyrządy mikofluidyczne są stosowane w wielu kinach, obejmujących rozdziały biomolekuł (DNA., lub krzemu, powielanie i sekwencjonowanie DNA, syntez chemiczcznych,monitorowania zjawisk biochemicznych zachodzących w pojedynczych komórkach, monitorowania środowiska naturalnego itp. Często łączą w sobie wiele operacji analitycznych, takich jak przygotowanie próbki, separacja i detekcja biomolekuł w małych pojedynczych strukturach. W tej publikacji mikrostruktury do separacji biomolekuł metodą elektroforezy. Zjawisko ciepła Joule'a i jego wpływ, tj. wzrost temperatury prowadzący do dużych gradientów, w przyrządach mikrofluidycznych powoduje wiele problemów metrologicznych - rozmycie pasm (niska wydajność rozdziału kolumny), zmniejszenie rozdzielczości pomiarowej, uszkodzenie niestałych termicznie biomolekuł lub uwolnienie z cieczy gazów w formie pęcherzyków. W zaprezentowanych wynikach badań porównano parametry przyrządów mikrofluidycznych wykonanych z diamentu, szkła i PDMS-u. Mikrostruktury o różnych proporcjach wymiarów geometrycznych i wykonane z różnych materiałów były analizowane z użyciem oprogramowania komputerowego Coventor (metoda elementów skończonych, FEM).Diament posiada wybitnie dobre parametry elektro-termo-optoniczne, które są bardzo użyteczne w zaprezentowanej metodzie analizy biomolekularnej (w szczególności przy elektroforezie). Najważniejszymi parametrami są: bardzo duży współczynnik przewodnictwa cieplnego, dobra przezroczystość optyczna, bardzo duże napięcie przebicia elektrycznego, dobra odporność i i duża wytrzymałość mechaniczna. Diamentowe przyrządy mikrofluidyczne mają wiele zalet względem swoich powszechnie stosowanych odpowiedników wykonywanych ze szkła lub polimerów. Znacznie wydajniej przewodzą one ciepło Joule'a z powodu największego znanego współczynnika przewodnictwa cieplnego diamentu.

19

Numerical Analysis of an Influence of a Vertebral Arteries Joint Angle Change on Blood Flow

Jozwik K., Obidowski D., Pogorzelski M.

Computer Methods in Materials Science

|

2009

|

Vol. 9, No. 1

72-78

EN

Cerebral circulation can be regarded as the most important element of blood circulation. Total ischemia of neurotic cells, lasting longer than a few minutes, is irreversible in its consequences and results in their death. Due to that fact, blood must constantly be delivered to this region of human body. The primary system of brain blood supply consists of independent systems of two carotid and vertebral arteries. Vertebral arteries join into a basilar artery. This joint has a specific character as only 2% of all nodes are vessel joints. Moreover, due to its spatial shape, various diameters of inner vessels, various lengths as well as various joint angles, becomes an area of interesting research. Because of a lack of opportunity in direct diagnosis of this area, numerical experiments on average combinations of geometric models have been carried out. To carry out these investigations two 3D models of artery system differing in the value of a joint angle of vertebral arteries and basilar artery, starting with the aortic ostium and finishing with the basilar artery have been generated. At the inlet to the system three different velocities of the liquid modeling blood have been applied one by one. The results of the simulation indicate the way the joint angle and velocity change at the inlet influences the character and velocity of the flow in the area under analysis. Also, they clearly show which angle would be better from the view point of the flow haemodynamics.

PL

Krążenie mózgowe można uznać za najważniejszy element krążenia krwi. Całkowite niedokrwienie komórek nerwowych trwające dłużej niż kilka minut jest nieodwracalne w skutkach i powoduje ich obumieranie. W związku z tym, krew musi być nieustannie dostarczana do tego regionu ludzkiego ciała. W skład głównego systemu zasilania mózgu w krew wchodzą niezależne układy dwóch tętnic szyjnych oraz kręgowych. Tętnice kręgowe łączą się tworząc tętnicę podstawną. Zespolenie ma osobliwy charakter, gdyż tylko 2% wszystkich węzłów naczyniowych stanowią połączenia naczyń. Ponadto, ze względu na przestrzenny kształt, różne średnice wewnętrzne i różne ich długości jak również różne kąty zespolenia stanowi ono interesujący obszar badań. Ze względu na brak bezpośredniej możliwości diagnostyki tego obszaru, przeprowadzono badania numeryczne na uśrednionych wariantach geometrycznych modelu. Do ich przeprowadzenia zostały wygenenrowane dwa modele 3D układu tętnic, różniących się wartością kąta zespolenia tętnic kręgowych w tętnicę podstawną, począwszy od aorty, kończąc na tętnicy podstawnej. Na wlocie do układu zadawane były kolejno trzy różne prędkości płynącego czynnika modulującego krew. Uzyskane wyniki symulacji pokazały jak zmiana kąta zespolenia i prędkości na wlocie wpływa na charakter i prędkość przepływu w badanym rejonie, który kąt byłby lepszy ze względu na hemodynamikę przypływu.

20

Symulacje przepływu w kole tętniczym mózgu

Obidowski D., Jóźwik K., Reorewicz P.

Zeszyty Naukowe. Cieplne Maszyny Przepływowe - Turbomachinery / Politechnika Łódzka

|

2008

|

nr 134

35-42

PL

Główne tętnice zasilające mózg - dwie symetryczne tętnice szyjne oraz dwie symetryczne tętnice kręgowe wchodzące do czaszki przez otwór wielki, a następnie łączące się w tętnice podstawną - tworzą połączenie, które nosi nazwę koła Willisa (koło tętnicze mózgu). Jako podstawę do tworzenia indywidualnych geometrii układu, użyto badań tomografii komputerowej (TK). Zastosowano nienewtonowski model krwi. W pracy przedstawiono wyniki symulacji przepływu w modelowanym układzie pozwalające na ocenę rozpływu krwi do poszczególnych naczyń.

EN

The main arteries - a pair of carotid arteries and a pair of vertebral arteries entering the skull, join together to form a basilar artery. All of them create an arterial connection called the Circle of Willis (cerebral arterial circle). This unique arterial system was reconstructed with the use of Computer Tomography images. Blood was modelled as a non-Newtonian fluid. Results of the numerical experiment showing the blood outflow to cerebral arteries from arterial circle are presented in the paper.