مقایسه الگوهای توزیع تنش در بازسازی شریان الاستیک با استفاده از روش برهم‌کنش سیال-جامد

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموختة کارشناسی ارشد، گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند

2 استادیار، گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند

3 استاد،گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند

10.22041/ijbme.2011.13142

چکیده

محققان بیومکانیک معتقدند که شریان‌ها تحت تأثیر عوامل همودینامیکی و مکانیکی بازسازی می‌شوند. عوامل بیومکانیکی مانند زاویه باز و کشش طولی می‌توانند تأثیر مهمی در این فرایند داشته باشند. در این مطالعه تأثیر زاویه باز و کشش طولی در روند بازسازی در اثر افزایش سن برای شریان آئورت بررسی شده است. برای شبیه‌سازی عددی از نرم‌افزار ADINAاستفاده شده است. در این پژوهش برای اولین بار با بهره‌گیری از روش عددی برهمکنش سیال- جامد، تأثیر زاویه باز و کشش طولی در روند بازسازی شریان آئورت شبیه‌سازی شده است. از تئوری تغییر شکل‌های بزرگ برای مدل‌سازی تغییر شعاع شریان و از رفتار سیال نیوتنی نیز برای خون استفاده شده است. بعلاوه برای بررسی شبیه‌سازی رفتار گذرا در سیستم شریانی، شکل موج‌های فشار و جریان پالسی فیزیولوژیکی بکار گرفته شده است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی عددی نشان می‌دهد که زاویه باز بیشترین تأثیر را در توزیع تنش محیطی دارد به طوری که باعث یکنواخت‌تر شدن توزیع تنش محیطی در دیواره می‌شود. همچنین تغییر زاویه باز در اثر افزایش سن باعث معکوس شدن شیب تغییر تنش محیطی در امتداد ضخامت دیواره شریان می‌شود. نتایج نشان می‌دهد کشش طولی بیشترین تأثیر را در توزیع تنش محوری دارد. همچنین، با وجود اینکه کشش طولی با افزایش سن کاهش می‌یابد ولی سطح تنش محوری در شریان بازسازی شده افزایش می‌یابد. نتایج حاصل از توزیع تنش برشی کاهش چشمگیری را در مقادیر بیشینه، کمینه و دامنة  تنش برشی ناشی از سیال در شریان مسن نشان می‌دهد که بیانگر کاهش آسیب وارده به سلول‌های اندوتلیال است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Comparison of Stress Distribution Pattern during Remodeling of Elastic Artery Using FSI

نویسندگان [English]

  • Hamed Khalesi 1
  • Hanie Niroomand Oscuii 2
  • Farzan Ghalichi 3
1 M.Sc Graduate, Biomechanics Group, Department of Mechanical Engineering , Sahand University of Technology
2 Assistant Professor, Biomechanics Group, Department of Mechanical Engineering , Sahand University of Technology
3 Professor, Biomechanics Group, Department of Mechanical Engineering , Sahand University of Technology
چکیده [English]

Biomechanics believe that, the arteries are remodeled under the influence of hemodynamic and mechanical factors. Biomechanical factors such as Opening Angle and the Tethering could have important effects on this phenomenon. The effects of various Opening Angle and Tethering during thoracic aorta aging on arterial wall stress have been studied. ADINA software is used for numerical simulation.In this study, for the first time, numerical methods of Fluid-Structure Interaction have been used to study and simulate effects of Opening Angle and the Tethering in elastic artery remodeling due to age. Large deformation theory has been used for modeling changes of arterial radius; furthermore, behavior of Newtonian fluid has been used for blood. Pulsatile pressure and physiological Pulsatile flow waveforms have been applied to simulate transient behavior of arterial system. The results show that opening angle has further effect on circumferential stress so smooth distribution of circumferential stress on the wall accrued. Also, increasing Opening Angle with age reverses the circumferential stress distribution slop across the arterial wall. Tethering has further effect on axial stress. Decreasing Tethering in remodeling process over age leads to increase stress levels in the aged artery. Also, arterial wall shear stress in remodeled artery shows significant reduction in maximum, mean and amplitude values that caused reduction of pathological effects of endothelial cells.  

کلیدواژه‌ها [English]

  • FSI
  • Elastic Artery
  • Opening Angle
  • Tethering

[1]     Davies P.F., Flow mediated endothelial mechanotransduction; Physiological reviews. 1995; 75: 519-560.

[2]     Levy B., Tedgui A., Biology of arterial wall, Kluwer Academic Publisher-Dordrecht; Boston, London, 1999: 3-13.

[3]     Caterina D.De., Libby P., Endothelial disfunction and vascular disease; Blackwell Publisher, 2007: 3-10.

[4]     Fung Y.C., Biomechanics: motion, flow, stress and growth, Springer, 1990, 559 pp.

[5]     Hodes R.J., Some evidence points to arterial stiffness; J. Am. Geriatr. 1995; 43: 581-582.

[6]     Fung Y.C., Liu S.Q., Change in the rheological properties of the blood vessels due to tissue remodeling in the course of development of diabetes; Biorheology. 1992; 29: 443-457.

[7]     Boutouyrie P., Tropeano A.I., Asmar R., Gautier I., Benetos A., Lacolley P., Laurent S., Aortic stiffness is an independent predictor for primary coronary events in hypertensive patients: a longitudinal study; Hypertension. 2002; 39: 10-15.

[8]     Fung Y.C., Biomechanics. Mechanical properties of living tissues, Med. Phys. Volume 9, Issue 5. 1982, 789 pp.

[9]     Gue X., Kassab G., Distribution of stress and strain along the porcine aorta and coronary arterial tre; J. Physiol. Heart Circ. Physiol, 2004; 286: 2361-2368.

[10] Han H.C., Fung Y.C., Longitudinal strain of canine and porcine aortas; J. Biomechanics Engineering. 1995; 28: 637-641.

[11] Fung, Y.C., Han H. C., Direct Measurement of Residual Strain on the Cross Sectional Surface of Aortic Segments; AJP. Heart and Circulatory Physiology, 1996; 270: 750-759.

[12] Kassab G.S., Biomechanics of the cardiovascular system: the aorta as an illustratory example; J. R. Soc. Interface, 2006; 3: 719–740.

[13] Hayashi K., The Static Working Strain Measurement of Arterial Wall by Geometrical Size Tissue Quantitative Analysis Method; Chinese Journal of Biomedical Engineering, 2002; 21: 511-514.

[14] Sverdlik A., Lanir Y., Time-dependent mechanical behavior of sheep digital tendons, including the effects ofpreconditioning; J. Biomech. Eng, 2002; 124: 78–84.

[15] Pandit A., Lu X., Kassab G.S., The biaxial elastic material properties of porcine coronary media and adventitia; J. Physiol. Heart Circ. Physiol, 2005; 288: 2581–2587.

[16] Hayashi K., Experimental approaches on measuring the mechanical properties and constitutive laws of arterial walls; J. Biomech. Eng, 1993; 115: 481–488.

[17] Stergioulos N., Segers P., Westerhof N., Use of pulse pressure method for estimating total arterial compliance in vivo; J.Physiol.HeartCirc.Physiol, 1999; 276: 424–428.

[18] Levy B., Biology of the arterial wall, Kluwer Academic Publisher-Dordrecht/Boston/London, 1999, 275 pp.

[19] Taber L.A., Humphrey J.D., Stress-modulated growth, residual stress, and vascular heterogeneity; J. Biomech. Eng. Trans, 2001; 123: 528–535.

[20] Humphrey J.D., Cardiovascular Solid Mechanics: Cells, tissues and Organs; Journal of Biomechanic, 2002; 36: 894-898.

[21] Rachev A., Theoretical study of the effect of stress-dependent remodeling on arterial geometry under hypertensive conditions; Journal of Biomechanics, 1997; 30: 819–827.

[22] Rachev A., Greenwald S.E., Residual strains in conduit arteries; J. Biomech, 2003; 36: 661–670.

[23] Zhang W., , Herrera C., Atluri S.N., Kassab G.S., The effect of surrounding tissue on vessel fluid and solid mechanics; J. Biomech. Eng, 2004; 126: 760–769.

[24] Zhang W., Herrera C., Atluri S.N., Kassab G.S., The effect of longitudinal pre-stretch and radial constraint on the stress distribution in the vessel wall: a new hypothesis, Mech. Chem. Biosystems, 2005; 2: 41–52.

[25] NiroomandOscuii H., Ghalichi F., Mechanical of wall remodeling in elastic arteries with application of fluid-solid interaction methods; Journal of Mechanics in Medicine and Biology, 2007; 7: 433-447.

[26] Labross M.R., Bller C.J., Mechanical behavior of human aortas: Experiments, material constants and 3-D finite element modeling including residual stress; Journal of Biomecanics, 2009; 49: 996-1004.