Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Comparative analysis of numerical simulations of blood flow through the segment of an artery in the presence of stenosis

Shaikh Fozia, Shaikh Asif Ali, Hincal Evren, Qureshi Sania

Journal of Applied Mathematics and Computational Mechanics

|

2023

|

Vol. 22, nr 2

49--61

EN

A mathematical model is developed to study the characteristics of blood flowing through an arterial segment in the presence of a single and a couple of stenoses. The governing equations accompanied by an appropriate choice of initial and boundary conditions are solved numerically by Taylor Galerkin’s time-stepping equation, and the numerical stability is checked. The pressure, velocity, and stream functions have been solved by Cholesky’s method. Furthermore, an in-depth study of the flow pattern reveals the separation of Reynolds number for the 30 and 50% blockage of single stenosis and 30% blockage of multi-stenosis. The present results predict the excess pressure drop across the stenosis site than it does for the inlet of the artery with single and multiple stenosis and the increase in the velocity is observed at the center of the artery.

2

Blood flow through the fusiform aneurysm treated with the Flow Diverter stent – Numerical investigations

Reorowicz Piotr, Tyfa Zbigniew, Obidowski Damian, Wiśniewski Karol, Stefańczyk Ludomir, Jóźwik Krzysztof, Levy Michael Lee

Biocybernetics and Biomedical Engineering

|

2022

|

Vol. 42, no. 1

375--390

EN

The Flow Diverter is one of the methods used in the treatment of a fusiform aneurysm. While this method is popular in treating anomalies of the cerebral vasculature, it is not commonly used in the treatment of aortic aneurysms. The numerical simulation in a patient-specific model of the abdominal aortal aneurysm allowed us to investigate and visualize the hemodynamics of blood before and after stent implantation. Our custom software (updated version of MeMoS) was used to reproduce the vessel geometry on the basis of imported DICOM image sets. The blood flow was modeled as pulsatile and with non-Newtonian rheology. A velocity distribution, vorticity, a region of stagnation and wall shear stress were plotted to give an insight into the mechanism of operation of Flow Diverter stents. Additionally, a quantitative analysis of the blood distribution among chosen abdominal arteries for one full cardiac cycle was performed. A Flow Diverter stent implanted in the fusiform aneurysmal sack involving the abdominal aorta significantly changed the flow pattern in the region of the aneurysm, but it did not contribute to diminished flow to the renal arteries.

3

Effects of stenosis and dilatation on flow of blood mixed with suspended nanoparticles: a study using homotopy technique

Sudha T., Umadevi C., Dhange M., Manna S., Misra J. C.

International Journal of Applied Mechanics and Engineering

|

2021

|

Vol. 26, no. 1

251--265

EN

The paper deals with a theoretical study on blood flow in a stenosed segment of an artery, when blood is mixed with nano-particles. Blood is treated here as a couple stress fluid. Stenosis is known to impede blood flow and to be the cause of different cardiac diseases. Since the arterial wall is weakened due to arterial stenosis, it may lead to dilatation /aneurysm. The homotopy perturbation technique is employed to determine the solution to the problem for the case of mild stenosis. Analytical expressions for velocity, shear stress at the wall, pressure drop, and flow resistance are derived. The impact of different physical constants on the wall shear stress and impedance of the fluid is examined by numerical simulation. Streamline patterns of the nanofluid are investigated for different situations.

4

Segmentary strategy in modeling of cardiovascular system with blood supply to regional skin

Li Zhongyou, Jiang Wentao, Diao Junjie, Chen Chong, Xu Kairen, Fan Haidong, Yan Fei

Biocybernetics and Biomedical Engineering

|

2021

|

Vol. 41, no. 4

1505--1517

EN

Objective: The focus of this study is to model the cardiovascular system (CS) involving regional skin blood flow (SBF) to gain new insights into the skin-CS relationship. Methods: A lumped parameter model with a series of electrical components was developed to model the CS involving SBF. Four parts were considered: the heart, arterial circulation, microcirculation (including the skin and other tissues), and the venous system. The model was validated based on previous publications. Additionally, the body surface was divided into seven blocks replaced by lumped resistances in this model, including the head, upper limbs and neck, chest and back, anterolateral abdomen, posterior abdomen, lower limbs, and buttocks. The SBF of each block was described using a weighted average method (relative ratio of cutaneous blood perfusion and regional body surface area) Results: Cardiodynamics characterized the properties of cardiac cycles, including isovolumic contraction, accelerated ejection, decelerated ejection, isovolumic diastole, and filling phases. Blood flow and pulse pressure in the arterial trunk declined and increased, respectively, from the aorta root to the distal portion, exhibiting normal cardiovascular properties. Accordingly, the blood pressure of the arterial branches attached to the arterial trunk also satisfied normal physiological characteristics; the blood flow of all the arterial branches exhibited good agreement with previous studies. Additionally, the modeled SBF of each region was consistent with the data from the weighted average method. Conclusion: This model effectively demonstrates the normal properties of the CS that involves regional SBF and may be promising in the prediction of the skin-CS relationship.

5

Modelling the temperature-dependent RF ablation produced by the multi-tine electrode

Gas Piotr

Przegląd Elektrotechniczny

|

2020

|

R. 96, nr 1

48--51

EN

The paper discusses a thermal ablation of liver tissue with a multi-tine probe. The 3D model of such applicator with evenly distributed 2–5 arms was placed in hepatic tissue near a cylindrical vessel with circulating blood. The temperature of the surrounding tissue was regulated within defined limits by changing the voltage employed on the RF electrode. The current study examines influence of temperature-dependent and constant parameters of liver tissue on thermal efficiency of ablation procedure. As presented, a blood flowing in the blood vessel causes the cooling of tissue, which requires the electrode voltage to be increased to maintain the set therapeutic levels of temperatures. Interestingly, even larger changes in electrode potential are required in the case of temperature-dependent ablation with a blood vessel.

PL

Praca omawia termiczną ablację tkanki wątroby za pomocą sondy wielopalcowej. Model 3D takiego aplikatora o równomiernie rozmieszczonych 2–5 ramionach umieszczono w tkance wątroby w pobliżu cylindrycznego naczynia z przepływającą krwią. Temperatura otaczającej tkanki była regulowana w określonych granicach poprzez zmianę napięcia przyłożonego na elektrodzie RF. W pracy zbadano wpływ zależnych od temperatury i stałych parametrów tkanki wątroby na sprawność ablacji cieplnej. Jak pokazano, krew płynąca w naczyniu krwionośnym powoduje chłodzenie tkanki, co wymaga zwiększenia napięcia elektrody, aby utrzymać zadane poziomy terapeutyczne temperatury. Co ciekawe, nawet większe zmiany potencjału elektrody są wymagane w przypadku zależnej od temperatury ablacji w obecności naczynia krwionośnego.

6

Understanding the interplay between baroreflex gain, low frequency oscillations, and pulsatility in the neural baroreflex

Ringwood John V., Bagnall-Hare Hasana

Biocybernetics and Biomedical Engineering

|

2020

|

Vol. 40, no. 3

1291--1303

EN

The neural baroreflex, which regulates mean arterial pressure (MAP) via the action of the brain, consists of baroreceptors which measure MAP, and actuators that can produce a change in MAP, such as the heart and parts of the peripheral resistance containing innervated smooth muscle. The brain is the controlling unit, maintaining an appropriate MAP in spite of various disturbances. Under certain circumstances, including haemorrhage and other states of distress, the gain of the neural baroreflex can change, causing low frequency (LF) oscillations (sometimes termed Mayer waves) in blood pressure (BP). Though their purpose is unclear, the origins of these LF oscillations has previously been explained via a nonlinear feedback model, though focusing on the peripheral resistance as an MAP actuator only. The present paper now includes analytical and simulation results explaining the LF oscillation phenomenon for the full neural baroreflex, containing both peripheral resistance (PR) and cardiac branches. However, the main contribution of the paper is to examine the effect of blood pulsatility, or a lack of pulsatility, on the neural baroreflex, and how it's effect can manifest in the presence of LF oscillations. This may have importance in cases where pulsatility is reduced (for example where left-ventricular assist devices are present), or completely absent (for example in turbine-based artificial hearts).

7

Impact of coronary tortuosity on the artery hemodynamics

Buradi Abdulrajak, Mahalingam Arun

Biocybernetics and Biomedical Engineering

|

2020

|

Vol. 40, no. 1

126--147

EN

The presence of tortuosity in coronary artery (CA) affects the local wall shear stress (WSS) which is an influencing hemodynamic descriptor (HD) for the development of atherosclerotic sites. To conduct a morphological parametric study in coronary arteries (CAs), several idealized tortuous artery models were obtained by varying three morphological indices namely, curvature radius (CR), distance between two bends (DBB) and the angle of bend (AoB). Computational fluid dynamics methodology with multiphase mixture theory is used to explore the effect of coronary tortuosity on various WSS based hemodynamic descriptors (HDs) namely, time-averaged WSS, oscillatory shear index, time-averaged WSS gradient, endothelial cell activation potential and the relative residence time that are used to determine the vulnerable locations for the onset of thrombosis and atherosclerosis. Our findings suggest that all the tortuosity morphological indices, CR, DBB and AoB have significant influence on the distributions of various HDs and hemodynamics. It is also observed that atherosclerosis prone sites were witnessed at the inner artery wall at downstream regions of the bend section 1 and bend section 2 in all the tortuous artery models studied and found to increase as the CR and DBB were reduced however, found to increase as the AoB is increased. Hence, severe coronary tortuosity in CAs with small CR, small DBB and higher AoB may have lower WSS zones at inner bend sections which promote atherosclerosis plaque progression. The analysis obtained from this multiphase blood flow study can be employed potentially in the clinical assessment on the severity of atherosclerosis lesions as well as in understanding the underlying mechanisms of localization and formation of atherosclerotic plaques.

8

Radiation effect on MHD blood flow through a tapered porous stenosed artery with thermal and mass diffusion

Sharma M., Gaur R. K., Sharma B. K.

International Journal of Applied Mechanics and Engineering

|

2019

|

Vol. 24, no. 2

411--423

EN

A mathematical model for MHD blood flow through a stenosed artery with Soret and Dufour effects in the presence of thermal radiation has been studied. A uniform magnetic field is applied perpendicular to the porous surface. The governing non-linear partial differential equations have been transformed into linear partial differential equations, which are solved numerically by applying the explicit finite difference method. The numerical results are presented graphically in the form of velocity, temperature and concentration profiles. The effects of various parameters such as the Reynolds number, Hartmann number, radiation parameter, Schmidt number and Prandtl number, Soret and Dufour parameter on the velocity, temperature and concentration have been examined with the help of graphs. The present results have an important bearing on the therapeutic procedure of hyperthermia, particularly in understanding/regulating blood flow and heat transfer in capillaries.

9

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.

10

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.

11

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

Nowak Marcin

Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej

|

2017

|

Vol. 3

5--30

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).

12

Modelowanie przepływu krwi w naczyniach krwionośnych miażdżycowo zmienionych

Mordal K., Szarek A.

Aktualne Problemy Biomechaniki

|

2017

|

z. 13

49--56

PL

Artykuł poświęcono modelowaniu przepływów krwi w tętnicach zdrowych i zwężonych w wyniku miażdżycy przy różnych wysokościach powstałych przewężeń. Część wstępna obejmuje kwestie dotyczące układu krwionośnego, krwi i chorób układu krążenia (miażdżycy). W części badawczej zaprezentowano zagadnienia dotyczące przygotowania modeli fizycznych tętnic oraz wyniki symulacji przepływu krwi. Przeprowadzone badania pozwoliły określić, jaki wpływ na prędkość przepływu, rozkład ciśnienia ma stopień zaawansowania miażdżycy.

EN

This article is about modelling of blood flow in healthy arteries and narrowed as a result of a atherosclerosis at different stages of its development. A preliminary section covers issues concerning cardiovascular system, blood and cardiovascular diseases (atherosclerosis and hypertension). The research presents issues related to physical models of arteries and blood flow simulations. Conducted examinations allowed to determine the effect of the severity of atherosclerosis on flow velocity and pressure distribution.

13

CFD analysis of blood flow within aorta of patient with coarctation of aorta

Rojczyk M., Ostrowski Z., Adamczyk W., Melka B., Bandoła D., Gracka M., Knopek A., Golda A., Nowak A. J.

Studia Informatica

|

2016

|

Vol. 37, nr 3A

43--55

EN

Blood flow in a real geometry of aorta was analysed. The CFD analysis was performed using commercial ANSYS/Fluent code. Velocity profile was used to mimic inlet flow conditions during human cardiac cycle. Outlet pressure boundary condition was coupled with lumped parameter model (electrical analogy) of circulatory system.

PL

Przeanalizowano jednofazowy przepływ krwi dla modelu aorty odwzorowującego rzeczywistą geometrię. Symulacja CFD przeprowadzona była za pomocą komercyjnego oprogramowania ANSYS/Fluent. Na wlocie do geometrii zadano profil prędkości, odpowiadający cyklowi pracy serca. Ciśnienie krwi na wylotach określono przez sprzężenie z parametrycznym modelem skupionym (zbudowanym w analogii elektrycznej).

14

Multi-fluid Euler-Euler model of the blood flow within the blood vessel with rigid walls

Gracka Maria

Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej

|

2016

|

Vol. 1

29--51

EN

The cardiovascular diseases and disorders such as atherosclerosis, strokes and heart attacks are the leading causes of death in the world mainly in the developed and industrialized societies. Understanding of basic mechanisms and phenomena occurring in the cardiovascular system could be useful in early detection of the development of lesions in blood vessels. In the presented work numerical analysis of blood flow within aorta has been made. Analysis included two models: single- and multi-phase approaches. In first blood was treated as a homogenous, non-Newtonian fluid with averaged rheological properties of viscosity and density. Second model uses an Eulerian multiphase approach in model of blood flow which assumes blood as a mixture of three phases (plasma, erythrocytes and leukocytes). To develop numerical model of blood flow within the human blood vessel the commercial software ANSYS Fluent (ANSYS Inc., USA) has been used. In the project the geometry of 8-year old patient with moderate thoracic aortic coarctation (approximately 65% area reduction) has been used. The geometry was created from data generated during Gadolinium-enhanced MR angiography (MRA). Model of the geometry includes ascending aorta, arch, descending aorta und upper branches such as innominate artery, left common artery, left subclavian artery. To reproduce periodic cardiac cycle as an inlet boundary condition velocity profile was used. Velocity profile was calculated from the conversion of the volumetric flow that was measured by a phase-contrast (PC) MRI sequence with through-plane velocity encoding. As the outlet boundary conditions for all branches and descending aorta the outflow condition was used. Volumetric share of blood flow through various outflows of the aortic model was measured via PC-MRI. Results of numerical simulation are presented for two characteristic points (during systole and diastole) of the cardiac cycle.

PL

Choroby oraz zaburzenia układu krążenia, takie jak miażdżyca tętnic, udary i zawały serca są główną przyczyną zgonów na świecie, w szczególności w rozwiniętych i uprzemysłowionych społeczeństwach. Zrozumienie podstawowych mechanizmów i zjawisk występujących w układzie sercowo-naczyniowym może być przydatne do wczesnego wykrycia i diagnozy rozwijających się zmian w naczyniach krwionośnych. W prezentowanej pracy przeprowadzono analizę numeryczną przepływu krwi w aorcie. Wykonano dwa modele numeryczne pierwszy model traktujący krew jako jednorodną ciecz nienewtonowską z reologicznymi właściwościami średnimi dla lepkości i gęstości składników. Drugi model obejmuje analizę przepływu krwi będącej mieszaniną trzech faz (osocza, czerwonych krwinek oraz białych krwinek). Symulacje przeprowadzono przy użyciu komercyjnego oprogramowania ANSYS Fluent (ANSYS Inc., USA). W projekcie wykorzystano geometrię aorty 8-letniej pacjentki z koarktacją za łukiem aorty (zwężenie ok. 65%) wygenerowaną ze skanu wykonanego podczas wzmocnionej angiografii (MRA). Model obejmuje aortę wstępującą, łuk aorty, aortę zstępującą oraz górne odgałęzienia naczyń (pień ramiennogłowowy, tętnicę szyjną wspólną oraz podobojczykową lewą). W celu odwzorowania cyklu pracy serca na wlocie do aorty jako warunek brzegowy przyjęto profil prędkości przeliczony z przepływu objętościowego krwi, który zmierzono w trakcie badania kontrastem fazowym. Warunek zaimplementowano wykorzystując tzw. procedury własne (UDF - User Defined Function). Jako warunek brzegowy na wylotach przyjęto wypływy przez odgałęzienia oraz aortę zstępującą, których wartość wyrażona jest udziałem procentowym ze strumienia krwi na wlocie do aorty wstępującej. Wyniki symulacji numerycznej przedstawiono dla dwóch punktów charakterystycznych podczas skurczu i rozkurczu serca.

15

Identification and modelling of blood flow processes in section of large blood vessel using hybrid Euler-Lagrange multiphase approach

Knopek Artur

Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej

|

2016

|

Vol. 1

53--80

EN

Computational fluid dynamics (CFD) in past known only in highly specialized technical engineering branch is nowadays one of main engineering tool in solving numerous complex problems in order to get crucial information and extend general knowledge in many fields. CFD allows to create new, more advanced systems and also optimize already created to enhance efficiency and/or reduce costs of production and operating. Actual situation demands from engineers to face difficult competition - fighting for minor fractions of efficiency due to construction and materials limitations. That operations do not concentrate only on that obvious disciplines like heat transfer, fluid dynamics or power-generation, but also new uncharted areas like automotive, chemical, aerospace, environmental engineering etc. One of that innovative field of CFD application is bio-engineering. In medicine, computer simulations can provide necessary, life-saving information with no interfere in patient body (in vivo), that allows to avoid later complications, application collisions and dangerous unpredictable after-effects. What more in several cases, in vitro analyses cannot be used through to life threats of treatment. The main objective of current project is to develop and test novel approach of accurate modelling of human blood flow in arteries. Currently available research reports do not cover the spatial interaction of individual blood phases and walls of blood vessels. Such approach could significantly reduce accuracy of such models. Proper simulations enriches general knowledge with specific details which could be crucial in early diagnosis of potential cardiac problems showing vulnerable zones (e.g. narrowed blood vessels). Such precise information are extremely difficult to obtain experimentally. Apart from multiphase concept of the project (that is considering every component of blood as separate phase assigning exceptional properties to each of them and determines relations between them) special attention was paid to the realism of geometry - considering the real system of the aortic segment (part of ascending aorta, aortic arch and part of thoracic aorta) including bifurcations. In addition a pulsating blood flow is being considered and implemented using built in UDF (User Defined Function) functionality of CFD code.

PL

Obliczeniowa mechanika płynów (ang. CFD – Computational Fluid Dynamics) znana niegdyś tylko w wysoce wyspecjalizowanej technicznie branży jest jednym z podstawowych narzędzi inżynieryjnych w rozwiązywaniu wielu złożonych problemów, celem zdobycia kluczowych informacji i poszerzenia wiedzy ogólnej w wielu dziedzinach. CFD pozwala na tworzenie nowych, bardziej zaawansowanych systemów oraz na udoskonalanie już istniejących – poprawiając ich wydajność i/lub obniżając koszty produkcji oraz eksploatacji. Aktualna sytuacja wymaga od inżynierów zmierzenia się w trudnej dyscyplinie – walce o ułamki wydajności z powodu ograniczeń materiałowych i konstrukcyjnych. Przedsięwzięcia te nie koncentrują się jedynie na oczywistych dyscyplinach, takich jak przepływ ciepła, mechanika płynów czy wytwarzanie energii, ale także na nowych, niezbadanych sferach jak inżynieria motoryzacyjna, chemiczna, kosmiczna czy środowiska itd. Jednym z innowacyjnych zastosowań CFD jest bio-inżynieria. W medycynie, symulacje komputerowe są w stanie dostarczyć niezbędnych, nierzadko ratujących życie informacji, bez ingerencji w ciało pacjenta (in vitro), co pozwala uniknąć późniejszych komplikacji, zagrożeń występujących w trakcie wprowadzania przyrządów w ciało pacjenta czy niebezpiecznych nieprzewidywalnych powikłań. Ponad to w wielu przypadkach metody in vivo są niemożliwe do zastosowania ze względu na zagrożenie życia pacjenta. Głównym celem powyższego projektu było stworzenie i testy innowacyjnego, dokładnego modelu przepływu krwi w ludzkiej aorcie. Aktualnie dostępne badania nie uwzględniają przestrzennych interakcji pomiędzy poszczególnymi fazami krwi i ścianami naczyń krwionośnych. Takie podejście zdecydowanie zmniejsza dokładność tego typu modeli. Odpowiednie badania wzbogacają wiedzę ogólną o dokładne informacje , które mogą okazać się kluczowe we wczesnym diagnozowaniu problemów układu sercowo-naczyniowego, wskazując na potencjalnie podatne obszary (np. kurczące się naczynia krwionośne). Tak dokładne informacje są trudno dostępne do uzyskania na drodze badań. Poza wielofazowa koncepcją projektu, który rozpatruje każdy komponent krwi jako oddzielną fazę, przyporządkowując poszczególne właściwości do każdej z nich i uwzględniając ich wzajemne relacje, szczególną uwagę zwrócono na realistykę geometrii – zakładając rzeczywisty układ aortalny (część aorty wstępującej, łuk aortalny i część aorty zstępującej) uwzględniający bifurkację. Ponadto wprowadzono do modelu przepływ pulsacyjny za pomocą wbudowanej wewnętrznej funkcji programu. (ang. UDF – User Defined Function).

16

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

Bandoła Dominika

Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej

|

2016

|

Vol. 1

5--28

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.

17

Analiza przepływu krwi w tętnicach mózgowych

Adamczuk K., Wolański W., Kaspera W.

Aktualne Problemy Biomechaniki

|

2016

|

z. 11

9--14

PL

W pracy przedstawiono analizę numeryczną przepływu krwi (CFD) w tętnicach mózgowych środkowych. Symulacja komputerowa została przeprowadzona z wykorzystaniem modeli tętnic, które wysegmentowano na podstawie obrazów tomografii komputerowej dla dwóch odmiennych fizjologicznie przypadków: tętnicy: prawidłowej oraz tętnicy patologicznej z tętniakiem. Przeprowadzone komputerowe symulacje przepływu umożliwiły uzyskać rozkład ciśnienia, naprężenia ścinającego WSS oraz prędkości przepływu krwi w naczyniach. Wyniki obliczeń umożliwiły porównanie wyznaczonych czynników hemodynamicznych pod kątem patofizjologii naczynia z tętniakiem. Dodatkowo symulacje przepływu mogą uzupełnić wiedzę z zakresu mechanizmów powstawania tętniaków oraz stratyfikacji ryzyka ich uszkodzenia.

EN

he article presents the analysis of blood flow in cerebral central arteries. On the basis of the images from the CT scan a few models of cerebral arteries were created. Models include: physiologically correct arteries and pathological arteries with aneurysm. Computer simulations were carried out for all models, which enabled to obtain a distribution of pressure, shear stress WSS and the velocity of blood flow in vessels. The results of calculations allowed the comparison of the hemodynamic factors for the correct and pathologic artery with aneurysm. In addition, flow simulations can complement the knowledge of the mechanisms and the risk of aneurysm damage.

18

Patient-specific hemodynamics and stress-strain state of cerebral aneurysms

Ivanov D., Dol A., Polienko A.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2016

|

Vol. 18, no. 2

9--17

EN

Purpose: Approximately 5% of the adult population has one or more cerebral aneurysm. Aneurysms are one of the most dangerous cerebral vascular pathologies. Aneurysm rupture leads to a subarachnoid hemorrhage with a very high mortality rate of 45–50%. Despite the high importance of this disease there are no criteria for assessing the probability of aneurysm rupture. Moreover, mechanisms of aneurysm development and rupture are not fully understood until now. Methods: Biomechanical and numerical computer simulations allow us to estimate the behavior of vessels in normal state and under pathological conditions as well as to make a prediction of their postoperative state. Biomechanical studies may help clinicians to find and investigate mechanical factors which are responsible for the initiation, growth and rupture of the cerebral aneurysms. Results: In this work, biomechanical and numerical modeling of healthy and pathological cerebral arteries was conducted. Patient-specific models of the basilar and posterior cerebral arteries and patient-specific boundary conditions at the inlet were used in numerical simulations. A comparative analysis of the three vascular wall models (rigid, perfectly elastic, hyperelastic) was performed. Blood flow and stress-strain state of the two posterior cerebral artery aneurysm models was compared. Conclusions: Numerical simulations revealed that hyperelastic material most adequately and realistically describes the behavior of the cerebral vascular walls. The size and shape of the aneurysm have a significant impact on the blood flow through the affected vessel and on the effective stress distribution in the aneurysm dome. It was shown that large aneurysm is more likely to rupture than small aneurysm.

19

Mathematical modeling of magneto pulsatile blood flow through a porous medium with a heat source

Sharma B. K., Sharma M., Gaur R. K., Mishra A.

International Journal of Applied Mechanics and Engineering

|

2015

|

Vol. 20, no. 2

385--396

EN

In the present study a mathematical model for the hydro-magnetic non-Newtonian blood flow in the non-Darcy porous medium with a heat source and Joule effect is proposed. A uniform magnetic field acta perpendicular to the porous surface. The governing non-linear partial differential equations have been solved numerically by applying the explicit finite difference Method (FDM). The effects of various parameters such as the Reynolds number, hydro-magnetic parameter, Forchheimer parameter, Darcian parameter, Prandtl number, Eckert number, heat source parameter, Schmidt number on the velocity, temperature and concentration have been examined with the help of graphs. The present study finds its applications in surgical operations, industrial material processing and various heat transfer operations.

20

The BEM-FDM model of thermal processes proceeding in the domain of the human finger

Majchrzak E., Mochnacki B., Tarasek D., Dziewoński M.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2015

|

Vol. 17, no. 4

85--96

EN

Purpose: The problem of the numerical modeling of thermal processes proceeding in the non-homogeneous domain of the human finger is discussed. The domain considered constitutes the assembling of soft and bone tissues and the system of supplying blood vessels (arteries and veins). The mathematical description of the process analyzed corresponds to the so-called vascular models. Methods: At the stage of numerical modeling the algorithm being the composition of the boundary element method (BEM) and the finite difference method (FDM) is applied. Results: The algorithm presented allows one to determine the steady state temperature field in the finger domain in natural convection conditions. To verify the effectiveness and exactness of the method of the problem solution, the thermal imaging measurements of the finger surface temperature have been done. Conclusions: The compatibility of numerical and experimental results (the natural convection conditions) has proved to be quite satisfactory. It is possible to use the algorithm proposed for the modeling of thermal processes proceeding in the conditions of low or high ambient temperatures and the big values of heat transfer coefficients. The impact of protective clothing on the temperature field in the domain of the finger can also be analyzed.