| Инд. авторы: | Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Борисов В.Г., Сизова И.Н., Бурков Н.Н., Батранин А.В., Кудрявцева Ю.А., Захаров Ю.Н., Шокин Ю.И. |
| Заглавие: | Моделирование гемодинамики сосудистых протезов «кемангипротез» in silico |
| Библ. ссылка: | Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Борисов В.Г., Сизова И.Н., Бурков Н.Н., Батранин А.В., Кудрявцева Ю.А., Захаров Ю.Н., Шокин Ю.И. Моделирование гемодинамики сосудистых протезов «кемангипротез» in silico // Математическая биология и биоинформатика. - 2017. - Т.12. - № 2. - С.559-569. - EISSN 1994-6538. |
| Внешние системы: | DOI: 10.17537/2017.12.559; РИНЦ: 32261722; SCOPUS: 2-s2.0-85046542549; |
| Реферат: | rus: Работа описывает аспекты применения численного моделирования потоков жидкости в клинической медицине при вмешательствах на сосудистом русле человека. Используемый в исследовании метод моделирования верифицирован с использованием данных допплер-эхографии конечного пациента. Показано, что отклонение между численным экспериментом и клиническими данными - кривыми давления на входе и выходе исследуемых сосудов, составляет 20 %. Полученные количественные характеристики потока: пиковая систолическая скорость, конечная диастолическая скорость, минимальная диастолическая скорость, индекс резистивности, индекс пульсации, индекс систола/диастола сопоставимы между верификационными и экспериментальными данными. Так, для проксимального участка в случае клинических данных соответствующие показатели составили 96.5 см/с; 4.,5 см/с; 36.2 см/с; 1.,05; 11.5; 21.3. Для моделирования - 107.9 см/с; 4.44 см/с; 43.9 см/с; 1.05; 12.0; 24.3. В работе описано применение исследуемого метода на двух клинических сосудистых протезах «КемАнгиопротез» для оценки зон повышенного сдвигового напряжения и, таким образом, риском возникновения тромбообразования. Показано, что распределение критических зон соответствует зонам анастомозов-сшивок между сегментами изделия, что может являться потенциальным местом для оптимизации протеза. eng: The paper describes aspects of the application of numerical simulation of fluid flows in clinical medicine with interventions on the human vascular system. The modeling method used in the study is verified using the data of the doppler sonography of the patient underwent vascular replacement. It was shown that the deviation between the numerical experiment and the clinical data - pressure curves at the inlet and outlet of the studied vessel, is 20%. The obtained quantitative characteristics of the flow: peak systolic velocity, final diastolic velocity, minimum diastolic velocity, resistivity index, pulsatility index, systole/diastole index are comparable between verification and experimental data. Thus, for the proximal site of the clinical vessel the corresponding indices were 96.5 cm/s; 4.5 cm/s; 36.2 cm/s; 1.05; 11.5; 21.3. For simulation, 107.9 cm/s; 4.44 cm/s; 43.9 cm/s; 1.05; 12.0; 24.3. In addition, the work describes the application of tested method in two clinical vascular prostheses "KemAngioprotez" for the assessment of zones of increased shear stress and, thus, the risk of thrombus formation. It is shown that the distribution of critical zones corresponds to zones of anastomosis between prosthesis segments, which may be a potential location for optimization of the device. |
| Ключевые слова: | допплер-эхография; computer modeling; hydrodynamics; компьютерное моделирование; prosthesis; протезирование; гидродинамика; Doppler sonography; |
| Издано: | 2017 |
| Физ. характеристика: | с.559-569 |
| Цитирование: | 1. Степанов Н.Г. Качество жизни пациента и ее продолжительность после ампутации. Ангиология и сосудистая хирургия. 2004. Т. 10. № 4. С.13-16. 2. Савельев В.С. 50 лекций по хирургии. М.: Media Medica, 2003. 39-48. 3. Бурков Н.Н., Журавлева И.Ю., Барбараш Л.С. Прогнозирование риска развития тромбозов и стенозов биопротезов «КемАнгиопротез» путем построения математической модели. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2013. № 4. С. 5-11. 4. Ивченко А.О., Шведов А.Н., Ивченко О.А. Сосудистые протезы, используемые при реконструктивных операциях на магистральных артериях нижних конечностей. Бюллетень сибирской медицины. 2017. Т. 16. № 1. С. 132-139. doi: 10.20538/1682-0363-2017-1-132-139 5. Martin C., Sun W. Biomechanical characterization of aortic valve tissue in humans and common animal models. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 2012. T. 100 № 6. doi: 10.1002/jbm.a.34099 6. Барбараш Л.С., Иванов С.В., Журавлева И.Ю., Ануфриев А.И., Казачек Я.В., Кудрявцева Ю.А., Зинец М.Г. 12-летний опыт использования биопротезов для замещения инфраингвинальных артерий. Ангиология и сосудистая хирургия. 2006. Т. 12. № 3. С. 91-97. 7. Мухамадияров Р.А., Рутковская Н.В., Мильто И.В., Васюков Г.Ю., Барбараш Л.С. Патогенетические параллели кальцификации нативных клапанов аорты и ксеногенных биопротезов клапанов сердца. Гены & клетки. 2016. Т. 11. № 3. С. 72-79. 8. Rukhlenko O.S., Dudchenko O.A., Zlobina K.E., Guria G.TMathematical Modeling of Intravascular Blood Coagulation under Wall Shear Stress. PLoS ONE. 2015. Т. 10. № 7. e0134028. doi: 10.1371/journal.pone.0134028 9. Rumbaut R.E., Thiagarajan P. In: Platelet-Vessel Wall Interactions in Hemostasis and Thrombosis. San Rafael (CA): Morgan & Claypool Life Sciences, 2010. P. 11-27. 10. Ruggeri Z.M. The role of von Willebrand factor in thrombus formation. Thrombosis research. 2007. № 120 (Suppl. 1) Р. 5-9. doi: 10.1016/j.thromres.2007.03.011 11. Qian M., Niu L., Wong K.K., Abbott D., Zhou Q., Zheng H. Pulsatile flow characterization in a vessel phantom with elastic wall using ultrasonic particle image velocimetry technique: the impact of vessel stiffness on flow dynamics. IEEE Trans Biomed Eng. 2014. T. 61. № 9. Р. 2444-2450. doi: 10.1109/TBME.2014.2320443 12. Schiller N.K., Franz T., Weerasekara N.S., Zilla P., Reddy B.D. A simple fluid-structure coupling algorithm for the study of the anastomotic mechanics of vascular grafts. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2010. Т. 13. № 6. Р. 773-781. doi: 10.1080/10255841003606124 13. Fojas J., De Leon R. Carotid Artery Modeling Using the Navier-Stokes Equations for an Incompressible, Newtonian and Axisymmetric Flow. APCBEE Procedia. 2013. No. 7. P. 86-92. doi: 10.1016/j.apcbee.2013.08.017 14. Yeow S. L., Leo H. L. Hemodynamic Study of Flow Remodeling Stent Graft for the Treatment of Highly Angulated Abdominal Aortic Aneurysm. Computational and Mathematical Methods in Medicine. 2016. doi: 10.1155/2016/3830123 15. Wen J, Zheng TH, Jiang WT, Deng XY, Fan YB. A comparative study of helical-type and traditional-type artery bypass grafts: numerical simulation. ASAIO J. 2011. T. 57. № 5. Р. 399-406. 16. Pinto S., Doutel E., Campos J., Miranda J. Blood analog fluid flow in vessels with stenosis: Development of an openfoam code to simulate pulsatile flow and elasticity of the fluid. APCBEE Procedia. 2013. No. 7. P. 73-79. doi: 10.1016/j.apcbee.2013.08.015 17. Loth F., Fischer P.F., Bassiouny H.S. Blood flow in end-toside anastomoses. Ann. Rev. Fluid Mech. 2008. T. 40. P. 367-393. 18. Kabinejadian F., Ghista D., Nezhadian M.K., Leo H.L. Hemodynamics of Coronary Artery Bypass Grafting: Conventional vs. Innovative Anastomotic Configuration Designs for Enhancing Patency. Coronary Graft Failure State of The Art. 2016. doi: 10.1007/978-3-319-26515-5 19. Lin C.-L., Srivastava A., Coffey D., Keefe D., Horner M., Swenson M., Erdman A. A System for Optimizing Medical Device Development Using Finite Element Analysis Predictions. Journal of Medical Devices. 2014. T. 8. № 2. Р. 0209411-0209413. doi: 10.1115/1.4027096 20. Morgan A.E., Pantoja J.L., Weinsaft J., Grossi E., Guccione J.M., Ge L., Ratcliffe M. Finite Element Modeling of Mitral Valve Repair. J. Biomech. Eng. 2016. Т. 138. № 2. Р. 021009. doi: 10.1115/1.4032125 21. Lee L.C., Ge L., Zhang Z., Pease M., Nikolic S.D., Mishra R., Guccione J.M. Patient-specific finite element modeling of the Cardiokinetix Parachute® device: Effects on left ventricular wall stress and function. Medical & Biological Engineering & Computing. 2014. Т. 52. № 6. Р. 557-566. doi: 10.1007/s11517-014-1159-5 22. Boyd A., Kuhn D., Lozowy R., Kulbisky G. Low wall shear stress predominates at sites of abdominal aortic aneurysm rupture. J. Vas.c Surg. 2016. T. 63. № 6. P. 1613-1619. doi: 10.1016/j.jvs.2015.01.040 23. Gharahi H., Zambrano B., Zhu D., DeMarco K., Baek S. Computational fluid dynamic simulation of human carotid artery bifurcation based on anatomy and volumetric blood flow rate measured with magnetic resonance imaging. Int. J. Adv. Eng. Sci. Appl. Math. 2016. T. 8 № 1. P. 40-60. doi: 10.1007/s12572-016-0161-6 24. Geers A.J., Morales H.G., Larrabide I., Butakoff C., Bijlenga P., Frangi A.F. Wall shear stress at the initiation site of cerebral aneurysms. Biomech. Model Mechanobiol. 2016. T. 16. V. P. 97-115 doi: 10.1007/s10237-016-0804-3 25. Batranin A.V., Chakhlov S.V., Kapranov B.I., Klimenov V.A., Grinev D.V. Design of the x-ray micro-CT scanner tolmi-150-10 and its perspective application in non-destructive evaluation. Applied Mechanics and Materials. 2013. Т. 379. С. 3-10. 26. Caro C., Pedley T., Schroter R., Seed W., Parker K. In: The Mechanics of the Circulation. Cambridge: Cambridge University Press, 2011. P. 15-32. doi: 10.1017/CBO9781139013406 27. Alastruey J., Parker K.H., Sherwin S.J., Arterial pulse wave haemodynamics. In: 11th International Conference on Pressure Surges: Virtual PiE Led t/a BHR Group. Ed. S. Anderson. 2012. Chapter 7. Р. 401-442. 28. OpenCFD. OpenFOAM - User guide - Version 3.0. The OpenFOAM Foundation. 2015. URL: https://openfoam.org/ (дата обращения 02.07.2017). 29. Weller H.G., Tabor G., Jasak H., Fureby C. A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques. Computers in physics. 1998. Т. 12. № 6. Р. 620-631. 30. Ayachit Utkarsh. The ParaView Guide: A Parallel Visualization Application. Kitware, 2015. ISBN 978-1930934306. 31. SALOME, Open source integration platform for numerical simulation. URL: http://www.salome-platform.org/ (дата обращения 02.07.2017). 32. Lee W. General principles of carotid Doppler ultrasonography. Ultrasonography. 2014. Т. 33. № 1. Р.11-17. doi: 10.14366/usg.13018 33. Li Z., Kleinstreuer C. Analysis of biomechanical factors affecting stent-graft migration in an abdominal aortic aneurysm model. J. Biomech. 2006. Т. 39. № 12. Р. 2264-2273. 34. Xiong G., Figueroa C.A., Xiao N., Taylor C.A. Simulation of blood flow in deformable vessels using subject-specific geometry and spatially varying wall properties. International journal for numerical methods in biomedical engineering. 2011. Т. 27. № 7. Р.1000-1016. doi: 10.1002/cnm.1404 |
