Экспериментальное и численное исследование структуры потока в модели дистального анастомоза бедренной артерии
Автор: Молочников В.М., Хубулава Г.Г., Калинин Е.И., Пашкова Н.Д., Никифоров И.В.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 3 (101) т.27, 2023 года.
Бесплатный доступ
Выполнено физическое и численное моделирование стационарного течения крови в области дистального соединения шунта с бедренной артерией по типу конец-в-бок. Угол между шунтом и артерией составлял 60°. Исследования проводились при двух числах Рейнольдса, соответствующих интервалу физиологических значений при оценке по среднему (Re = 240) и максимальному (Re = 1640) расходу крови в бедренной артерии человека за период сердечных сокращений. Эксперимент включал визуализацию течения и измерение мгновенных векторных полей скорости потока с использованием оптического метода SIV (Smoke Image Velocimetry). Расчеты проводились методом прямого численного моделирования (DNS). Рассматривалось следующее соотношение расходов через ответвления основной артерии: 80 % - в антеградном и 20 % - в ретроградном направлениях. Выявлены основные закономерности распределений профилей скорости и ее среднеквадратичных пульсаций по длине обоих ответвлений основной артерии. Обнаружено формирование областей отрыва потока в области разветвления и вторичных течений типа парных вихрей Прандтля первого рода. Установлено, что при Re = 240 течение в области разветвления сохраняет ламинарный характер, а при Re = 1640 наблюдаются признаки перехода к турбулентности, локализованные в пределах отрывных областей. Получены распределения продольной и окружной компонент вектора поверхностного трения. Показано, что в некоторых областях течения эти компоненты сопоставимы по величине. Установлены пространственные положения областей, в которых модуль трения для рассмотренных режимов течения ниже величины трения в неповрежденной артерии (развитое ламинарное течение в круглой трубе) при соответствующих числах Рейнольдса.
Дистальный анастомоз, бедренная артерия, локальная гемодинамика, гиперплазия интимы, стационарное течение, отрыв потока, переход к турбулентности, поверхностное трение
Короткий адрес: https://sciup.org/146282780
IDR: 146282780 | УДК: 531/534: | DOI: 10.15593/RZhBiomech/2023.3.03
Experimental and numerical study of flow structure in a model of distal anastomosis of femoral artery
The physical and numerical simulation of steady blood flow was carried out focusing on the distal end-to-side anastomosis of a graft to the femoral artery. The angle between the graft and the artery was 60°. Two Reynolds numbers were considered that corresponded to the physiological range when estimated using average (Re = 240) and maximum (Re = 1640) blood flow through the human femoral artery over a single cardiac cycle. The experiment included flow visualization and measurements of instantaneous vector fields of velocity using an optical SIV (Smoke Image Velocimetry) technique. Direct numerical simulation (DNS) was employed for numerical study. The distribution of blood flows through the branches of the main artery was 80% in the antegrade and 20% in the retrograde direction. Principal patterns in the distribution of velocity and its root-mean-square fluctuations in both branches of the main artery were revealed. The formation of flow separation regions in the branching region was observed. Additionally, secondary flows (Prandtl's vortices of the second kind) were revealed. At Re = 240, the flow in the branching region was still laminar, while at Re = 1640 the signs of transition to turbulence localized within separation regions were documented. Distributions of the streamwise and circumferential components of skin friction vector were estimated. In some regions of flow, these components were shown to be comparable in size. The location of regions was revealed in which the magnitude of friction in the considered flow regimes was lower than the one in an unimpaired artery (developed laminar flow in a circular pipe) at appropriate Reynolds numbers.
Список литературы Экспериментальное и численное исследование структуры потока в модели дистального анастомоза бедренной артерии
- Ананьева А.Ш., Бараева Л.М., Быков И.М., Веревкина Ю.В., Курзанов А.Н. Моделирование повреждений костных структур в экспериментах на животных // Инновационная медицина Кубани. - 2021. -№ 1. - С. 47-55. DOI: 10.35401/2500-0268-2021-21-1-4755.
- Ахметзянова А.И., Шарафутдинова К.Р., Сабирова Д.Э., Балтин М.Э., Герасимов О.В.,Балтина Т.В., Саченков О.А. Оценка влияния тяжести травмы спинного мозга на механические свойства костей задних конечностей опытных крыс // Российский журнал биомеханики. -2022. - № 4. - С. 45-55. DOI: 10.15593/RzhBiomeh/2022.4.04.
- Киченко А.А., Тверье В.М., Няшин Ю.И., Осипенко М.А., Лохов В.А. Постановка начально-краевой задачи о перестройке трабекулярной костной ткани // Российский журнал биомеханики. - 2012. - Т. 16, № 4 (58). - С. 36-52.
- Киченко А.А., Тверье В.М., Няшин Ю.И., Заборских А.А. Экспериментальное определение тензора структуры трабекулярной костной ткани // Российский журнал биомеханики. - 2011. - Т.15, № 4. - С.78-93.
- Крылов О.В. Метод конечных элементов и его применение в инженерных расчётах // Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь. - 2002. - 104 с. - ISBN 5-256-01627-X.
- Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А., Коваленко А.Н. Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала // Российский журнал биомеханики. - 2022. -№ 4. - С. 19-33. DOI: 10.15593/RzhBiomeh/2022.4.02.
- Саченков О.А., Герасимов О.В., Королёва Е.В., Мухин Д.А., Яикова В.В., Ахтямов И.Ф., Шакирова Ф.В., Коробейникова Д.А, Чжи К.К. Построение неоднородной конечно-элементной модели по данным компьютерной томографии // Россиийский журнал биомеханики. -2018. - Т. 22, № 3. - С. 290-302. DOI: 10.15593/RJBiomeh/2018.3.05.
- Саченков О.А., Яикова В.В., Харин Н.В. Программа для автоматического определения механических свойств костной ткани по экспериментальным данным. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, № 2020615249, 19.05.2020. Заявка № 2020613959 от 03.04.2020.
- Яикова В.В., Герасимов О.В., Харин Н.В, Балтина Т.В., Саченков О.А. Автоматическое определение механических свойств костной ткани по экспериментальным данным // Информационные технологии и нанотехнологии. - 2021. - Т. 3. - С. 034353.
- Bagirov, A., Suvarly, P., Ogaryov, E., Yeltsin, A., Mininkov, D., Tagizade, A. Multislice computed tomography in the complex assessment of deformities of long tubular bones of the lower extremities: prospective cohort study // N.N. Priorov Journal of Traumatology and Orthopedics. - 2023. - Vol. 29. - P. 269-277. DOI: 10.17816/vto111559.
- Bakhmet'ev, V. Destruction of a long tubular bone in combined mechanical and thermal exposures // Sudebno-Meditsinskaia Ekspertiza. - 1990. - Vol. 33. - P. 19-20.
- Bolshakov P.V., Sachenkov O.A. Destruction simulation for the inhomogeneous body by finite elementmethod using computed tomography data, Russian Journal of Biomechanics. - 2020. - Vol. 24, No. 2. - P. 248-258. DOI: 10.15593/RzhBiomeh/2020.2.12.
- Choi, S., Park, Y.-K., Kim, J.H., Moon, H., Kwon, W.-K., Ham, C. Clinical Importance of Hounsfield Unit in Computed Tomography of Sub-Axial Cervical Vertebral Body // Asian Journal of Pain. - 2022. - Vol. 8, No. 2. DOI: 10.35353/ajp.2022.00059.
- Correia Marques, F., Boaretti, D., Walle, M., Scheuren, A., Schulte, F., Müller, R. Mechanostat parameters estimated from time-lapsed in vivo micro-computed tomography data of mechanically driven bone adaptation are logarithmically dependent on loading frequency // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. - 2023. - Vol. 11. DOI: 10.3389/fbioe.2023.1140673.
- Cremers, D., Rousson, M., Deriche, R. A review of statistical approaches to level set segmentation: Integrating color, texture, motion and shape // International Journal OJ Computer Vision. - 2006. - Vol. 72. - P. 195-215.
- Crenshaw T.D., Peo Jr.E.R., Lewis A.J., Moser B.D. Bone Strength as a Trait for Assesing Mineralization in Swine: A Critical Review of Techniques Involved // J. Ani Sci. -1981. - Vol. 53, No. 3. - P. 827-835. DOI: 10.2527/JAS1981.533827X.
- Fomina, E., Lysova, N., Chernova, M., Khustnudinova, D., Kozlovskaya, I. Comparative Analisys of Efficacy of Countermeasure Provided by Different Modes of Locomotor Training in Space Flight // Fiziologiia Cheloveka. - 2016. -Vol. 42. - P. 84-91.
- Frey, P.J. Generation and adaptation of computational surface meshes from discrete anatomical data // Int. J. Numer. Meth. Engng. - 2004. - Vol. 60. - P. 1049-1074. DOI: 10.1002/nme.992.
- Gerasimov O., Kharin N., Statsenko E., Mukhin D., Berezhnoi D., Sachenkov O. Patient-Specific Bone Organ Modeling Using CT Based FEM // Lecture Notes in Computational Science and Engineering. - 2022. -Vol. 141. - P. 125-139. DOI: 10.1007/978-3-030-878092 10.
- Gerasimov O., Sharafutdinova K., Rakhmatullin R., Baltina T., Baltin M., Fedianin A. Application of a digital prototype for CT-based bone strength analysis // VIII International Conference on Information Technology and Nanotechnology. - 2022. - P. 1-6. DOI: 10.1109/ITNT55410.2022.9848693.
- Gerasimov, O., Berezhnoi, D.V., Bolshakov, P.V., Statsenko, E.O., Sachenkov, O.A. Mechanical model of a heterogeneous continuum based on numerical-digital algorithm processing computer tomography data // Russian Journal of Biomechanics. - 2019. - Vol. 23. - P. 87-97. DOI: 10.15593/RJBiomech/2019.1.10.
- Gerasimov, O., Kharin, N., Fedyanin, A., Bolshakov, P., Baltin, M., Statsenko, E., Fadeev, F., Islamov, R., Baltina, T., Sachenkov, O.A. Bone Stress-Strain State Evaluation Using CT Based FEM // Frontiers in Mechanical Engineering. -2021. - Vol. 7. DOI: 10.3389/fmech.2021.688474.
- Imai K. Computed Tomography-Based Finite Element Analysis to Assess Fracture Risk and Osteoporosis Treatment // Wjgem. - 2015. - Vol. 5, No. 3. - P. 182-187. DOI: 10.5493/wjem.v5.i3.182.
- Kieser, D., Kanade, S., Waddell, J., Kieser, J., Theis, J.-C., Swain, M. The deer femur - A morphological and biomechanical animal model of the human femur // BioMedical Materials and Engineering. - 2014. - Vol. 24. -P. 1693-703. DOI: 10.3233/BME-140981.
- Li, W., Jian, Y., Zhou, X., Wang, H. In situ tensile damage characterization of C/C composites through X-ray computed tomography and digital volume correlation // Ceramics International. - 2022. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.11.231.
- Luan, S., Chen, E., John, J., Gaitanaros, S. A data-driven framework for structure-property correlation in ordered and disordered cellular metamaterials // Arxiv - 2023. DOI: 10.48550/arXiv.2304.04809.
- Madi K., Forest S., Boussuge M., Gailliégue S., Lataste E., Buffiére J.-Y., Bernard D., Jeulin D. Finite element simulations of the deformation of fused-cast refractories based on X-ray computed tomography // Computational Materials Science. - 2007. - Vol. 39, No. 1. - P. 224-229. DOI: 10.1016/j.commatsci.2006.01.033.
- Maquer, G., Musy, S., Wandel, J., Gross, T., Zysset, P. Bone Volume Fraction and Fabric Anisotropy Are Better Determinants of Trabecular Bone Stiffness Than Other Morphological Variables // Journal of Bone and Mineral Research. - 2014. - Vol. 30. DOI: 10.1002/jbmr.2437.
- Mathieu Simon, Michael Indermaur, Denis Schenk, Seyedmahdi Hosseinitabatabaei, Bettina M. Willie, Philippe Zysset. Fabric-elasticity relationships of tibial trabecular bone are similar in osteogenesis imperfecta and healthy individuals // Bone. - 2022. - Vol. 155. - P. 116282. DOI: 10.1016/j.bone.2021.116282.
- Mazur, K., Krawczuk, M., Dqbrowski, L. A new finite element with variable Young's modulus // International Journal for Numerical Methods in Biomedical engineering. - 2023. DOI: 10.1002/cnm.3712.
- Peña Fernández, M., Schwiedrzik, J., Bürki, A., Peyrin, F., Michler, J., Zysset, P., Wolfram, U. In situ synchrotron radiation ^CT indentation of cortical bone: Anisotropic crack propagation, local deformation, and fracture // Acta Biomaterialia. - 2023. - DOI: 10.1016/j.actbio.2023.04.038.
- Rho J.Y., Hobatho M.C., Ashman R.B. Relations of Mechanical Properties to Density and CT Numbers in Human Bone. // Med. Eng. Phys. - 1995. - Vol. 17, No. 5. -P. 347-355. DOI: 10.1016/1350-4533(95)97314-f.
- Rietbergen B., Weinans H., Huiskes R., Odgaard A. A new method to determine trabecular bone elastic properties and loading using micromechanical finite-element models // Journal of Biomechanics. - 1995. - Vol. 28, No. 1. -P. 69-81. DOI: 10.1016/0021-9290(95)80008-5. 37.
- Sanchez-Molina, D., Garcia-Vilana, S., Saez, L., Lluma, J. A strain rate dependent model with decreasing Young's 38. Modulus for cortical human bone // Biomedical Physics & Engineering Express. - 2023. DOI: 10.1088/2057-1976/acd458.
- Shi, D., Zhang, B., Liu, C., Wang, L., Yang, X., Luo, R. In-situ study on compressive behaviors of different types of 3D SiC/SiC composites using X-ray computed tomography and 39. digital image correlation // Journal of Materials Research and Technology. - 2023. - Vol. 22. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.12.178.
