نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای بیومکانیک، آزمایشگاه مهندسی قلب و عروق، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 استادیار، آزمایشگاه مهندسی قلب و عروق، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

3 کارشناسی ارشد بیومکانیک، آزمایشگاه مهندسی قلب و عروق، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

10.22041/ijbme.2008.13454

چکیده

گرفتگی های شریانی و بیماری های قلبی- عروقی ناشی از آن مانند تصلب شرائین، از دلایل عمده مرگ و میر در دنیاست. در این مقاله، با استفاده از یک مدل غیرخطی سه بعدی از شریان کاروتید دارای گرفتگی نامتقارن و با در نظر گرفتن تعامل میان جامد و سیال (FSI)، جریان خون در این شرایط مدلسازی شد. برای انجام دادن شبیه سازی از نرم افزار انسیس بهره گرفته شد. با توجه به بررسی های انجام گرفته این نرم افزار از توانایی مناسبی در تحلیل مسائل FSIبرخوردار نیست. بنابراین با استفاده از کدنویسی در محیط ماکروی نرم افزار، دسترسی به الگوریتم حل مساله FSI از طریق روش کوپلینگ ضعیف میسر شد. تغییرات قابل توجه فشارخون بصورت موضعی و افت شدید فشار و در نتیجه ایجاد تنش فشاری در پایین دست گرفتگی، پروفیل متغیر تنش برشی در منطقه گرفتگی و تغییرات قابل توجه آن پس از گرفتگی، تغییرات قابل توجه پروفیل سرعت و ازدیاد قابل توجه جریان های برگشتی در اثر افزایش میزان خروج از مرکز پلاک، از جمله نتایج به دست آمده در پژوهش حاضر است. نتایج به دست آمده در ارزیابی وخامت بیماری، امکان پیشروی بیماری و پیش بینی محل های مستعد برای شکست پلاک آتروسکلروتیک استفاده می گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of Arterial Stenosis Eccentricity on Blood Flow Using Fluid-Structure Interaction Method

نویسندگان [English]

  • Afsane Mojra 1
  • Mohammad Tafazzoli Shadpour 2
  • Ehsan Yakhshi Tafti 3

1 Ph.D Candidate in Biomechanics, Cardiovascular Engineering Lab, Biomedical Engineering School, Amirkabir University of Technology

2 Assistant Professor, Cardiovascular Engineering Lab, Biomedical Engineering School, Amirkabir University of Technology

3 M.Sc. Graduate in Biomechanics, Cardiovascular Engineering Lab, Biomedical Engineering School, Amirkabir University of Technology

چکیده [English]

Arterial stenosis and the consequent cardiovascular diseases such as atherosclerosis remain the major cause of mortality in the world. In this study, blood flow was analyzed in a three-dimensional model of stenosed carotid artery with asymmetric stenosis utilizing fluid-structure interaction method. The modeling was performed by ANSYS finite element software. To overcome the software inconsistency in FSI mode, a new code was designed in ANSYS multi-physics environment for coupling of solid and fluid domains via incremental boundary iteration method. The results indicated a considerable variation of local blood pressure, velocity and shear stress in stenosed artery, high pressure drop along stenosis, compressive stress and larger flow separation zone in the post-stenotic region as the result of increased eccentricity of stenosis. The results might be applied in evaluation of plaque severity, progression of disease, plaque growth and vulnerable regions of plaque to fracture. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Arterial stenosis
  • Blood flow
  • fluid-structure interaction
  • Plaque rupture
  • finite element method

[1]     Tang D., Yang Ch., Kobayashi Sh., Ku D.N., Steady flow and wall compression in stenotic arteries: a threedimensional thick wall model with fluid-wall interactions, Journal of Biomechanical Engineering 2001; 123: 548-557.

[2]     Nerem R.M., Vascular fluid mechanics, the arterial wall, and atherosclerosis, ASME J. Biomech. Eng. 1992; 114: 274–282.

[3]     Friedman M. H., Arteriosclerosis research using vascular flow models: from 2-D branches to compliant replicas, ASME J. Biomech. Eng. 1993; 115: 595–601.

[4]     Ku D.N.; Blood flow in arteries, Annu. Rev. Fluid Mech. 1997; 29: 399–434.

[5]     Long Q., Xu X.Y., Ramnarine K.V., Hoskins P., Numerical investigation of physiologically realistic pulsatile flow through arterial stenosis, Journal of Biomechanics 2001; 34: 1229-1242.

[6]     Yamaguchi T., Kobayashi T., Liu H., Fluid-wall interactions in the collapse and ablation of atheromatous plaque in coronary arteries, Proceedings of the Third World Congress of Biomechanics 1998; pp. 20.

[7]     Bathe M., Kamm R.D., A fluid-structure interaction finite element analysis of pulsatile blood flow through a compliant stenotic artery, ASME J. Biomech. Eng. 1999; 121: 361–369.

[8]     Tang D., Yang Ch., Ku D.N., A 3-D thin-wall model with fluid-structure interactions for blood flow in carotid with symmetric and asymmetric stenoses, Computers and Structures 1999; 72: 357-377.

[9]     Tang D., Yang Ch., Huang Y., Ku D. N., Wall stress and strain analysis using a three-dimensional thickwall model with fluid structure interactions for blood flow in carotid arteries with stenoses, Computers and Structures 1999, 72: 341-356.

[10] Moayeri M.S., Zendehbudi G.R., Effects of elastic property of the wall on flow characteristics through arterial stenoses, Journal of Biomechanics 2003; 36: 525-535.

[11] Tang D., Flow in Healthy and Stenosed Arteries, John Wiley & Sons Inc 2006.

[12] Li Z.Y., Howarth S., Trivedi R.A., U-King-Im J.M., Graves M.J., Brown A., Wang L., Gillard J.H., Stress analysis of carotid plaque rupture based on in vivo high resolution MRI, J Biomech. 2006; 39(14): 2611- 22.

[13] King Im J.M.U., Li Z.Y., Trivedi R.A., Howarth S., Graves M.J., Kirkpatrick P.J., Gillard J.H., Correlation of shear stress with carotid plaque rupture using MRI and finite element analysis, Journal of Neurology 2006, 253 (3).

[14] Tang D., Yang C., Mondal S., Liu F., Canton G., Hatsukami T., Yuan C.; A negative correlation between human carotid atherosclerotic plaque progression and plaque wall stress: In vivo MRI-based 2D/3D FSI models, Journal of Biomechanics 2007; 41(4): 727 – 736.

[15] Li Z.Y., Howarth S.P., Tang T., Graves M.J., U-King- Im J., Trivedi R.A., Kirkpatrick P.J., Gillard J.H., Structural analysis and magnetic resonance imaging predict plaque vulnerability: a study comparing symptomatic and asymptomatic individuals, J Vasc Surg. 2007; 45(4):768-75.

[16] Li Z.Y., Gillard J.H., Simulation of the interaction between blood flow and atherosclerotic plaque; Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2007, 1699-702.

[17] Kock S.A., Nygaard J.V., Eldrup N., Fründ E.T., Klaerke A., Paaske W.P., Falk E., Yong Kim W., Mechanical stresses in carotid plaques using MRIbased fluid-structure interaction models, 2008; 41(8):1651-8.

[18] Wang, J.J., Parker K.H., Wave propagation in a model of the arterial circulation, Journal of Biomechanics 2004; 37: 457 470.

[19] Tang D., Yang Ch., Kobayashi Sh., Ku D.N., Effect of a lipid pool on stress/strain distributions in stenotic arteries: 3-D fluid-structure interactions (FSI) models, Journal of Biomechanical Engineering 2004, 126: 363- 370.

[20] Tang D., Yang Ch., Kobayashi, Zheng J., Vito R.P., Effect of stenosis asymmetry on blood flow and artery compression: a three- dimensional fluid-structure interaction model, Annals of Biomedical Engineering 2004; 31: 1182-1193.

[21] Holzapfel G.A., Sommer G., Regitnig P., Anisotropic mechanical properties of tissue components in human atherosclerotic plaques, Journal of Biomechanical Engineering 2004, 126: 657-665.

[22] Chen X., A nonlinear viscoelastic mooney rivlin thin wall model for unsteady flow in stenotic arteries, Master's thesis, Worcester polytechnic institute 2003.

[23] Fung Y.C., Biomechanics of Circulation, Springer, 2nd edition.

[24] Varghese S.S., Frankel S.H., Numerical modeling of pulsatile turbulent flow in stenotic vessels, Journal of Biomechanical Engineering 2003; 125: 445-460