| Реферат: | eng: Работа описывает особенности численного моделирования потоков жидкости переменной вязкости в задачах исследования протезов клапанов сердца. Компьютерное моделирование и его верификация выполнены на примере клинического медицинского изделия, применяемого в современной кардио-хирургической практике - биопротеза «ЮниЛайн» (Россия). Трехмерная пространственная модель объекта исследования была получена методом компьютерной микротомографии, с последующей реконструкцией сетки примитивов по двумерным срезам. В численном эксперименте использован метод погруженной границы, учитывающий взаимодействие твердого тела и жидкости, а также механику деформации элементов протеза - створчатого аппарата. Верификация расчетного алгоритма выполнена в установке пульсирующего потока в условиях имитации физиологических параметров гидродинамики, аналогичных используемым in silico. В целом, результаты моделирования согласуются с количественными и качественными данными гидродинамического эксперимента. Так, при численном моделировании был получен транспротезный градиент 3.0 ± 1.1 мм рт.ст., эффективная площадь отверстия 2.8 см2, объем регургитации - 0.1 мл/мин. В то время, как при натурном эксперименте аналогичные показатели составили: 6.5 ± 3.6 мм рт.ст.; 2.3 ± 0.6 см2; 3.1 ± 1.7 мл/мин, соответственно. Приведенный метод демонстрирует перспективность и потенциально может быть применен в задачах проектирования и исследовательских работах. © 2005-2018 IMPB RAS.The paper describes the features of in silico simulation of fluid flows of variable viscosity in the study of prosthetic heart valves. Computer modeling and its verification were performed on the example of the bioprosthesis 'UniLine' (Russia) used in modern cardio-surgical practice. A spatial model of the object of investigation was obtained by the method of computer microtomography, followed by the reconstruction of the primitive grid in two-dimensional sections. In the numerical experiment, the immersed boundary method was used. Herein the interaction of a solid and a liquid as well as the impact of mechanics of deformation of the elements of the prosthesis, such as the winged apparatus, were taken into account. Verification of the calculation algorithm was performed in the pulsating flow setup in conditions of simulating the physiological parameters of hydrodynamics similar to those used in silico. In general, the results of the simulation are consistent with the quantitative and qualitative data of the hydrodynamic experiment. Thus, in the numerical simulation, a pressure gradient of 3.0 ± 1.1 mmHg was obtained, an effective orifice area of 2.8 cm2, a regurgitation volume of 0.1 ml/min. The experimental evaluation has shown the similar indicators: 6.5 ± 3.6 mmHg, 2.3 ± 0.6 cm2, 3.1 ± 1.7 ml/min, respectively. The described method demonstrates its promise and can be used in design and research tasks. © 2005-2018 IMPB RAS.
|
| Цитирование: | 1. Барбараш Л.С., Караськов А.М., Семеновский М.Л., Журавлева И.Ю., Одаренко Ю.Н., Вавилов П.А., Нохрин А.В., Астапов Д.А. Биопротезы клапанов сердца в России: опыт трех клиник. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2011. № 2. С. 21-26.
2. Бокерия Л.А., Гудкова Р.Г. Сердечно-сосудистая хирургия-2014: болезни и врожденные аномалии системы кровообращения. М.: Изд-во НЦССХ им. А.Н. Бакулева, 2015. 225 с.
3. Arai T., Lefèvre T., Hovasse T., Morice M.C., Garot P., Benamer H., Unterseeh T., Hayashida K., Watanabe Y., Bouvier E., et al. Comparison of Edwards SAPIEN 3 versus SAPIEN XT in transfemoral transcatheter aortic valve implantation: Difference of valve selection in the real world. J. Cardiol. 2017. V. 69. № 3. P. 565-569. doi: 10.1016/j.jjcc.2016.04.012
4. Moore M., Barnhart G.R., Chitwood W.R. Jr, Rizzo J.A., Gunnarsson C., Palli S.R., Grossi E.A. The economic value of INTUITY in aortic valve replacement. J. Med Econ. 2016. V. 19. № 10. P. 1011-1017. doi: 10.1080/13696998.2016.1220949
5. Евдокимов С.В., Баулин А.В., Евдокимов М.Е., Серов Е.С., Баряев Г.И., Головин И.А., Ефимова И.В., Середин А.С. Некоторые особенности организации проведения хирургического эксперимента на свиньях. Успехи современного естествознания. 2015. Т. 1. № 5. С. 756-759.
6. Хиженок В.Ф., Шилько С.В. Деформационно-прочностные характеристики полимерного протеза клапана сердца. Российский журнал биомеханики. 2006. Т. 10. № 4. С. 52-61.
7. Gaetano F.D., Bagnoli P., Zaffora A., Pandolfi A., Serrani M., Brubert J., Costantino M.L. A newly developed tri-leaflet polymeric heart valve prosthesis. Journal of mechanics in medicine and biology. 2015. V. 15 № 2. P. 1540009. doi:10.1142/S0219519415400096
8. Dasi L.P., Simon H.A., Sucosky P., Yoganathan A.P. Fluid mechanics of artificial heart valves. Clinical and experimental pharmacology & physiology. 2009. V. 36 № 2. P. 225- 237. doi:10.1111/j.1440-1681.2008.05099.x
9. Bao S. Mechanical stress. Handb Clin Neurol. 2015. V. 131. P. 367-396. doi: 10.1016/B978-0-444-62627-1.00019-6
10. Бокерия Л.А. Скопин И.И., Сазонов М.А., Тумаев Е.Н. Механическое напряжение в створках митрального клапана и биопротеза в митральной позиции. влияние геометрии фиброзного кольца на величину напряжения створок. Клиническая физиология кровообращения. 2008. Т. 2. C. 73-80.
11. Weinberg E. Dynamic simulation of heart mitral valve with transversely isotropic material model. Massachusetts Institute of Technology, 2005. 76 p.
12. Шилько С.В., Хиженок В.Ф., Саливончик С.П. Биомеханический анализ адекватности протезирования клапанов сердца. Российский журнал биомеханики. 2005. Т. 9. № 1. С. 63-74.
13. Le T.B., Sotiropoulos F. Fluid-structure interaction of an aortic heart valve prosthesis driven by an animated anatomic left ventricle. Journal of computational physics. 2013. V. 244. P. 41-62. doi:10.1016/j.jcp.2012.08.036.
14. Borazjani I. A review of fluid-structure interaction simulations of prosthetic heart valves. J. Long. Term. Eff. Med. Implants. 2015. V. 25. № 1-2. P. 75-93.
15. 15. Стучебров С.Г., Батранин А.В., Милойчикова И.А., Красных А.А., Данилова И.Б. Модернизация томографической установки на базе многоканального газоразрядного детектора с субмиллиметровым разрешением. Вестник Национального исследовательского ядерного университета МИФИ. 2017. Т. 6. № 1. С. 31-36.
16. 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. V. 379. P. 3-10. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.379.3
17. Peskin C.S. The immersed boundary method. Acta Numerica. 2002. V. 11. P. 479-517.
18. Doldov D., Zakharov Y., Shokin Y. Numerical simulation of the performance of on artificial heart valve. Russian journal of numerical analysis and mathematical modeling. 2016. Т. 31. № 4. P. 229 - 238. doi: 10.1515/rnam-2016-0023.
19. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Физматлит, 1994. 448 с.
20. Яненко Н. Н. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1967. 196 с.
21. Griffith B.E. Immersed boundary model of aortic heart valve dynamics with physiological driving and loading conditions. International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering. 2012. V. 28. № 3. P. 317-345.
22. Mohammadi H., Cartier R., Mongrain R. 3D physiological model of the aortic valve incorporating small coronary arteries. Int. J. Numer. Method Biomed. Eng. 2017. V. 33. № 5. doi: 10.1002/cnm.2829
23. Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Мальцев Д.А., Журавлева И.Ю. Сравнительная характеристика гидродинамических показателей биопротезов клапанов сердца «ЮниЛайн» и «ПериКор». Клиническая физиология кровообращения. 2013. № 1. С. 45-51.
|
