نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس

2 دانش آموخته کارشناس ارشد مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس

3 دانشیار گروه فیزیک پزشکی، دانشکده پزشکی، دانشگاه تربیت مدرس

10.22041/ijbme.2007.13489

چکیده

مدل سازی جریان خون و جداره شریان در شریان های بزرگ از جمله شریان کاروتید و استفاده از اندازه گیری های التراسونیک، امکان ارزیابی بالینی غیرتهاجمی متغیرهای همودینامیکی را فراهم می سازد. برای دستیابی به این هدف مدل غیر خطی ریاضی برای جریان پالسی شریان با استفاده از تئوری تقریبی «جریان موضعی» پیشنهاد شده است. در مدل پیشنهادی، با اندازه گیری شعاع لحظه ای و سرعت خون در خط مرکزی شریان می توان پروفیل سرعت جریان خون، گرادیان فشار و ضریب الاستیسیته را محاسبه کرد. در این تحقیق، یک مدل ریاضی گرادیان فشار، در یک رگ الاستیک باریک شونده، با استفاده از سرعت خط مرکزی جریان خون ارایه شده است که با استفاده از یک حل کننده معادلات ناویر- استوکس تراکم ناپذیر برای سیال نیوتنی، با مدل الاستیک یا ویسکوالاستیک پیوست شده و حل شده اند. نتایج مدل سازی و شبیه سازی نشان می دهد که با استفاده از داده های داپلر التراسوند، می توان الاستیسیته شریان را برآورد کرد. توافق خوبی میان نتایج مدل و اندازه گیری های تجربی، مشاهده شد. اجرای روش حاضر به صورت بالینی نسبتا ساده بود و با استفاده از متغیرهای قابل اندازه گیری در تصاویر حاصل از سیستم های داپلر اولتراسوند، می توان تغییرات موضعی شریان را به خوبی ارزیابی کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Determination Of Elastic Modulus Of Artery Wall By Modeling Of Artery Wall And Blood Flow

نویسندگان [English]

  • Mehdi Maerefat 1
  • Asghar Khoushkar Shalmani 2
  • Manije Mokhtari Dizaji 3

1 Associate professor, Mechanics Department, Engineering School, Tarbiat Modares University

2 MS Mechanical Engineer, Engineering School, Tarbiat Modares University

3 Associate professor, Medical Physics Department, Medical School, Tarbiat Modares University

چکیده [English]

Modeling of blood flow and arterial wall in large arteries such as carotid artery, using ultrasonic measurements, allows non-invasive evaluation of clinically interesting homodynamic variables. In this study, a nonlinear mathematical model for the pulsatile arterial flow is proposed using the approximation of “local flow” theory. The blood velocity profile, the pressure gradient and the elastic modulus can be calculated using the model by measuring instantaneous radius and center-line blood velocity. An original mathematical model of pressure gradient in a tapered and elastic tube, using center-line blood velocity, is presented. A Newtonian incompressible Navier-Stokes solver coupled with elastic or visco-elastic arterial wall model is developed to solve the equations of model. The results of modeling and simulation indicate that the approach can estimate the elastic modulus of arterial wall from ultrasonic data. There is a good agreement between the computed arterial wall elasticity and the measured one. The method presented is relatively simple to implement clinically and can be taken as a new diagnostic tool for detecting local vascular change.

کلیدواژه‌ها [English]

  • elastic modulus
  • Blood pressure
  • Pulsatile Flow
  • Ultrasound
  • Coupled Fluid/Solid Model

[1]     Ahlgren A S, Hansen F; Stiffness and diameter of the common carotid artery and abdominal aorta in women; Ultrasound Med Biol 1997; 23: 983-988.

[2]     Ferrara L A, Mancini M; Carotid diameter and blood flow velocities in cerebral circulation in hypertensive patients; Stroke 1995; 26: 418-421.

[3]     Gamble G, Zorn J, Sanders G, MacMahon S, Sharpe N; Estimation of arterial stiffness, compliance, and distensibility from M-mode ultrasound measurements of the common carotid artery; Stroke 1994; 25: 11-16.

[4]     Hansen F, Mangell P, Sonesson B, Lanne T; Diameter and compliance in the human common carotid arteryvariations with age and sex; Ultrasound Med Biol 1995; 21: 1-9.

[5]     Jogestrand T, Nowak J; The relationship between the arterial wall thickness and elastic properties of the common carotid artery; Clin Physiol 1999: 19: 191- 203.

[6]     Baum S, Abrams angiography: vascular and interventional radiology, Little and Brown, 4th Edition, 1997: 114 -158.

[7]     Hayashi K, Handa H, Nagasawa S, Okumura A, Moritake K; Stiffness and elastic behavior of human intracranial and extracranial arteries; J Biomech 1980; 13: 175-184.

[8]     Hoskins P R, Fish P J, McDicken W N, Moran C; Developments in cardiovascular ultrasound. Part 2: arterial applications; Med Biol Eng Comput 1998; 36: 259-269.

[9]     Merode T V, Hick P J; Differences in carotid artery wall properties between presumed healthy men and women; Ultrasound Med Biol 1988; 14: 571-574.

[10] Peterson L H, Jensen R E; Mechanical properties of arteries in vivo; Circ Res 1960; 8: 622-639.

[11] Mokhtari-Dizaji M, Nikanjam N, Saberi H; Detection of initial symptoms of atherosclerosis using estimation of local static pressure by ultrasound; Atherosclerosis 2005; 178: 123-128.

[12] Mokhtari-Dizaji M, Nikanjam N, Babapoor B; Estimation of elastic modulus, stiffness, distensibility and young modulus in atherosclerosis of human common carotid artery; I H J 2003; 4: 68-74.

[13] Mackenzi I S, Wilkinson I B, Cockcroft J R; Assessment of arterial stiffness in clinical practice; Q J Med 2002; 95: 67–74.

[14] Flaud P, Bensalah A; Indirect instantaneous velocity profiles and wall shear rate measurement in arteries: a center-line velocity method applied to non Newtonians fluids; Comput Mech Pub 1995; 42: 191-199.

[15] Berbich L, Bensalah A, Flaud P, Benkirane R; Nonlinear analysis of the arterial pulsatile flow: assessment of a model allowing a non-invasive ultrasonic functional exploration; Med Eng Phys 2001; 23: 175- 183.

[16] Moayeri M S, Zendehboodi G R: Effects of elastic property of the wall on flow characteristics through arterial stenoses; J Biomech 2003; 36: 525–535.

[17] Belardinelli E; Cavalcanti S; Theoretical analysis of pressure pulse propagation in arterial vessels; J Biomech 1991; 25: 1337-1349.

[18] Zamir M; The Physics of Pulsatile flow; Springer- Verlag New York, 2000, 134 -139.

[19] Almeder C H; Hydrodynamic modeling and simulation of the human arterial blood flow; Dissertation, Technical University of Vienna 1999: 438-449.

[20] Orosz M, Molnarka G, Toth M, Nadasy G L, Monos E; Viscoelastic behavior of vascular wall simulated by generalized Maxwell model – a comparative study; Med Sci Monit 1999; 5: 549-555.

[21] Khooshkar A A, Maerefat M, Mokhtari-Dizaji M; Sugesting a new model for arterial pressure gradient by measuring the center-velocity of arterial using ultrasonic method; J Modares Med Sci 2005; 7: 41-48.

[22] Selzer R H, Mack W J, Lee P L, Kwong-Fu H, Hodis H N; Improved common carotid elasticity and intimamedia thickness measurement from computer analysis of sequential ultrasound frames; Atherosclerosis 2001; 154: 185-193.

[23] Naka K K, Tweddel A C, Parthimos D, Henderson A, Goodfellow J, Frenneaux P; Arterial distensibility: acute changes following dynamic exercise in normal subjects; AJP Heart 2002; 10: 1152.

[24] Reneman R S, Hoeks A P; Arterial distensibility and compliance in hypertension; J Med 1995; 47: 152-161.

[25] Botnar R, Rappitsch G, Scheidegger M B, Liepsch D, Perktold K, Boesiger P; Hemodynamics in the carotid artery bifurcation: a comparison between numerical simulation and in vitro MRI measurement; J Biomech 2000; 33: 137-144.

[26] Perktold K, Rappitsch G; Mathematical modeling of arterial blood flow and correlation to atherosclerosis; Tech Health Care 1995; 3: 139-151.

[27] Weizsacker H W, Pinto J G; Isotropy and anisotropy of the arterial wall; J Biomech 1988; 21: 477-487.

[28] Chandran K B, Mun J H, Choi K K, Chen J S, Hamilton A, Nagaraj A, Mc Pherson D D; A method for in vivo analysis for regional arterial wall materials property alterations with atherosclerosis: preliminary results; Med Eng Phys 2003; 25: 289-298.