مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

حل تحلیلی جریان دوبعدی خون در بالن با باز و بسته‌شدن به‌‌صورت متناوب، کاربرد در دستگاه‌های کمک‌قلبی داخل و خارج آئورتی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم‌ و‌ صنعت ایران، تهران، ایران
چکیده
هدف این مقاله مطالعه و بررسی پارامترهای همودینامیک خون مانند سرعت‌های شعاعی و طولی، تغییرات فشار و تنش برشی دیواره در یک بالن با یک طرف بسته است. کاربرد این تحقیق در دستگاه کمک‌قلبی داخل آئورتی (مثلا آویسنا) یا خارج آئورتی همراه با بالن است که به‌صورت متناوب باز و بسته می‌شود است. باز و بسته‌شدن این بالن باعث افزایش انرژی خون و پمپاژ بهتر آن به سمت سیستم خون‌رسانی بدن می‌شود. مساله به‌صورت مدل دوبعدی با تقارن محوری و به‌صورت حل تحلیلی برای رگ آئورت بررسی می‌شود. تحقیق پیش رو ادامه‌ حل عددی دستگاه کمک‌قلبی داخل و خارجی آئورتی در مقالات گذشته‌ نویسندگان حاضر به‌صورت تحلیلی و دو بعدی را نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهند که سرعت طولی جریان خون با حرکت از ابتدا یعنی طرف بسته به سمت انتهای بالن افزایش می‌یابد. در یک زمان معین با حرکت از دیواره‌های بالن به سمت مرکز بالن، سرعت شعاعی خون کاهش می‌یابد که مبین سرعت نزدیک به صفر جریان خون در مرکز بالون است. هرچه به سمت انتهای بالن نزدیک می‌شویم فشار در طول بالن کاهش می‌یابد. اگرچه تنش برشی دیواره با کوچک‌شدن بالن افزایش می‌یابد اما مقدار متوسط آن از مقدار تنش برشی دیواره در حالت طبیعی در رگ آئورت کمتر است که می‌تواند بیان‌کننده این مطلب باشد که ماده انتخاب‌شده برای جنس بالن، برای استفاده در طرح دستگاه کمک‌قلبی مناسب است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Analytical Tow-Dimensional Modeling of Blood Flow in a Balloon with Periodic Inflation and Deflation; Application in Intra- and Extra-Aortic Cardiac Assist Devices

نویسندگان English

S. Rahmani
S.H.R. Heidary
M. Navidbakhsh
M. Alizadeh
Biomechanics Department, Mechanical Engineering School, Iran University of Science & Technology, Tehran, Iran
چکیده English

The aim of this study is to investigate hemodynamic parameters such as radial and longitudinal velocities, pressure gradients, and wall shear stress of blood flow through a time-varying radius tube with one end closed. Application of this research is in the intra (as AVICENA) and extra cardiac assist devices, in which their balloons can increase the blood’s energy by its periodic inflation and deflation and it makes the blood to be pumped strongly into the aorta. The equation is considered as a two-dimensional model with axial symmetry and analyzed as an analytical solution for aorta. This research shows the continuation of the numerical analysis of the intra- and extra-aortic cardiac assist device in the past papers of the authors in an analytical and two-dimensional model. Results show that the longitudinal velocity is increased as we move from balloon inlet to the balloon outlet along the length of balloon. At a specific time as we move from the balloon walls towards to the centerline of the balloon, the radial velocity of blood flow decreases. It means that the blood flow radial velocity at the centerline of the balloon is close to zero. Pressure is decreased as we move from the end closed to the balloon outlet. Although the wall shear stress increases during contracting of balloon, its value is less than that of existing in aorta, thereby concluding that the chosen-balloon properties may be appropriate to be used for the balloon implanted in the aorta.

کلیدواژه‌ها English

Cardiac Assist Device
Balloon Contracting
AVICENA
theoretical model
Hemodynamic Parameters
Jaffrin M, Shapiro AH. Peristaltic pumping. Annual Review of Fluid Mechanics. 1971;3(1):13-37. [Link] [DOI:10.1146/annurev.fl.03.010171.000305]
Lighthill SJ. Pulse Propagation Theory. In: Lighthill MJ. Mathematical Biofluiddynamics. 17th Volume. Philadelphia: Society for Industrial and Applied Mathematics; 1975. pp. [Link] [DOI:10.1137/1.9781611970517.ch12]
Rosen R, Editor. Foundations of mathematical biology. Vol 3. New York: Academic Press; 1973. [Link]
Birks EJ, Tansley PD, Hardy J, George RS, Bowles CT, Burke M, et al. Left ventricular assist device and drug therapy for the reversal of heart failure. The New England Journal of Medicine. 2006;355(18):1873-1884. [Link] [DOI:10.1056/NEJMoa053063]
Pagani FD, Miller LW, Russell SD, Aaronson KD, John R, Boyle AJ, et al. Extended mechanical circulatory support with a continuous-flow rotary left ventricular assist device. Journal of the American College of Cardiology. 2009;54(4):312-321. [Link] [DOI:10.1016/j.jacc.2009.03.055]
Slaughter MS, Rogers JG, Milano CA, Russell SD, Conte JV, Feldman D, et al. Advanced heart failure treated with continuous-flow left ventricular assist device. The New England Journal of Medicine. 2009;361(23):2241-2251. [Link] [DOI:10.1056/NEJMoa0909938]
Kumar A, Khanwilkar PS. Long-term implantable ventricular assist devices (VADs) and total artificial hearts (TAHs). Comprehensive Biomaterials. 2011;6:389-402. [Link] [DOI:10.1016/B978-0-08-055294-1.00226-9]
Cohn WE, Timms DL, Frazier OH. Total artificial hearts: Past, present, and future. Nature Reviews Cardiology. 2015;12(10):609-617. [Link] [DOI:10.1038/nrcardio.2015.79]
Rai V, Gładki M, Dudyńska M, Jery J, Mroczek T, Kołcz J, et al. Pneumatic paracorporeal ventricular assist device as bridge to transplant in children≤20 kg: Krakow experience. Indian Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2018;34(1):19-24. [Link] [DOI:10.1007/s12055-017-0583-1]
Rogers JG, Pagani FD, Tatooles AJ, Bhat G, Slaughter MS, Birks EJ, et al. Intrapericardial left ventricular assist device for advanced heart failure. The New England Journal of Medicine. 2017;376(5):451-460. [Link] [DOI:10.1056/NEJMoa1602954]
Bartoli CR, Dowling RD. The future of adult cardiac assist devices: Novel systems and mechanical circulatory support strategies. Cardiology Clinics. 2011;29(4):559-582. [Link] [DOI:10.1016/j.ccl.2011.08.013]
Thurston GB. Rheological parameters for the viscosity viscoelasticity and thixotropy of blood. Biorheology. 1979;16(3):149-162. [Link] [DOI:10.3233/BIR-1979-16303]
Liepsch D, Moravec ST. Pulsatile flow of non-Newtonian fluid in distensible models of human arteries. Biorheology. 1984;21(4):571-586. [Link] [DOI:10.3233/BIR-1984-21416]
Rodkiewicz CM, Sinha P, Kennedy JS. On the application of a constitutive equation for whole human blood. Journal of Biomechanical Engineering. 1990;112(2):198-206. [Link] [DOI:10.1115/1.2891172]
Berger SA, Jou LD. Flows in stenotic vessels. Annual Review of Fluid Mechanics. 2000;32(1):347-382. [Link] [DOI:10.1146/annurev.fluid.32.1.347]
Kim HJ, Vignon-Clementel IE, Figueroa CA, LaDisa JF, Jansen KE, Feinstein JA, et al. On coupling a lumped parameter heart model and a three-dimensional finite element aorta model. Annals of Biomedical Engineering. 2009;37(11):2153-2169. [Link] [DOI:10.1007/s10439-009-9760-8]
Reymond P, Crosetto P, Deparis S, Quarteroni A, Stergiopulos N. 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 and Physics. 2013;35(6):784-791. [Link] [DOI:10.1016/j.medengphy.2012.08.009]
Tehrani P, Rahmani Sh, Karimi A, Alizadeh M, Navidbakhsh M. Modeling of balloon part of a new cardiac assist device known as AVICENA. Journal of Biomaterials and Tissue Engineering. 2014;4(10):772-777. [Link] [DOI:10.1166/jbt.2014.1236]
Alizadeh M, Tehrani P, Rahmani Sh. Hemodynamic simulation of blood flow in a new type of cardiac assist device named AVICENA. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part H Journal of Engineering in Medicine. 2014;228(8):824-832. [Link] [DOI:10.1177/0954411914548243]
Rahmani Sh, Navidbakhsh M, Alizadeh M. Investigation of a new prototype of multi-balloons LVAD using FSI. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2018;40(1):8. [Link] [DOI:10.1007/s40430-017-0923-5]