Математическое моделирование перистальтического течения литогенной желчи через проток при рубцовом стенозе, рассматриваемый в виде трубки с сужающимися стенками конечной длины

Автор: Кучумов А.Г.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 2 (42) т.20, 2016 года.

Бесплатный доступ

С точки зрения гидродинамики течение желчи зависит от градиента давления и сокращения стенок. Холедохопанкреатический рефлюкс (т.е. течение пузырной желчи из общего желчного протока в панкреатический проток вместо двенадцатиперстной кишки) считается одной из основных причин возникновения панкреатита (воспаления поджелудочной железы). Понимание причин возникновения рефлюкса с точки зрения физиологии, гидродинамики, биомеханики по-прежнему считается сложной задачей. Целью данной работы является разработка модели перистальтического транспорта течения желчи через проток при рубцовом стенозе как трубку с сужающимися стенками конечной длины. С помощью модели были найдены скорости и распределения давления вдоль трубки и определены условия возникновения холедохопанкреатического рефлюкса. Применяя метод возмущений, были найдены аналитические решения для скоростей и давлений. Зависимости распределения давления в трубке по длине в различные моменты времени построены при различных значениях числа Вайсенберга и безразмерной амплитуды. Было показано, что безразмерная амплитуда имеет большее влияние на характер распределения давления вдоль трубки, чем число Вайсенберга. Найдены значения градиента давления, соответствующие возникновению рефлюкса. Более того, отмечено, что величина перепада давления, соответствующая нулевому среднему расходу, может считаться критерием возникновения рефлюкса.

Еще

Трубка с сужающимися стенками, трубка конечной длины, перистальтика, жидкость каро, желчь, рубцовый стеноз, фатеров сосок

Короткий адрес: https://sciup.org/146216204

IDR: 146216204

Список литературы Математическое моделирование перистальтического течения литогенной желчи через проток при рубцовом стенозе, рассматриваемый в виде трубки с сужающимися стенками конечной длины

  • Виноградов В.В. Заболевания фатерова сосочка. -М.: Наука, 1962.
  • Кучумов А.Г., Няшин Ю.И., Самарцев В.А., Гаврилов В.А., Менар М. Биомеханический подход к моделированию билиарной системы как шаг в направлении к построению виртуальной модели физиологии человека//Российский журнал биомеханики. -2011. -Т. 15, № 2. -C. 32-48.
  • Abd El Maboud Y., Mekheimer Kh.S., Abd El Salam S.I. A study of nonlinear variable viscosity in finite-length tube with peristalsis//Applied Bionics and Biomechanics. -2014. -Vol. 11. -P. 197-206.
  • Akbar N.S., Nadeem S., Khan Z.H. Numerical simulation of peristaltic flow of a Carreau nanofluid in an asymmetric channel//Alexandria Engineering Journal. -2014. -Vol. 53. -P. 191-197.
  • Al-Atabi M., Chin S.B., Luo X.Y. Experimental investigation of the flow of bile in patient-specific cystic duct models//ASME J. of Biomechanical Engineering. -2010. -Vol. 132. -P. 1-10.
  • Al-Atabi M., Chin S.B., Luo X.Y., Beck S. Investigation of flow in a compliant idealised human cystic duct//ASME J. of Biomedical Science and Engineering. -2008. -Vol. 3. -P. 411-418.
  • Al-Atabi M., Ooi R.C., Luo X.Y., Chin S.B., Bird N.C. Computational analysis of the flow of bile in human cystic duct//Medical Engineering & Physics. -2012. -Vol. 34. -P. 1177-1183.
  • Al-Atabi M.T., Chin S.B., Luo X.Y. Visualization experiment of flow structures inside two-dimensional human biliary system models//Journal of Mechanics in Medicine and Biology. -2006. -Vol. 6. -P. 249-260.
  • Allescher H.D. Papilla of Vater: structure and function//Endoscopy. -1989. -Vol. 21. -P. 324-329.
  • Aranda V., Cortez R., Fauci L. A model of Stokesian peristalsis and vesicle transport in a three-dimensional closed cavity//Journal of Biomechanics. -2015. -Vol. 9. -P. 1631-1638.
  • Ballal M.A., Sanford P.A. Physiology of the sphincter of Oddi -the present and the future? Part 2//The Saudi Journal of Gastroenterology. -2000. -Vol. 7. -P. 16-21.
  • Bhuvana R., Anburajan M. Patient specific mimicing CAD models of biliary tract with and without gallstone for CFD analysis of bile dynamics//International Conference on Communication and Signal Processing. -Melmaruvathur, 2013. -P. 658-662.
  • Burns J.C., Parkes T. Peristaltic motion//J. Fluid Mech. -1967. -Vol. 29, № 4. -P. 731-743.
  • Christopher P., Armstrong F.R.C.S., Taylor T.V. Pancreatic-duct reflux and acute gallstone pancreatitis//Ann. Surgery. -1986. -Vol. 15. -P. 59-64.
  • Classen M., Ossenberg F.W. Non-surgical removal of common bile duct stones//Gut. -1977. -Vol. 18. -P. 760-769.
  • Coene P.P., Coene L.O., Groen A.K., Davids P.H.P., Hardeman M., Tytgat G.N.T., Huibregtse K. Bile viscosity in patients with biliary drainage//Scand. J. Gastroenterol. -1994. -Vol. 29. -P. 757-763.
  • Edemskiy A.I., Edemskiy D.A. Major duodenal papilla’s pathology//Surgery Bulletin. -2002. -Vol. 7. -P. 35-42.
  • Elshehawey E.F., Misery A.E.M.E., Abd El Naby A.E.H. Peristaltic motion of generalized Newtonian fluid in a non-uniform channel//J. Phys. Sot. Japan. -1998. -Vol. 67. -P. 434-440.
  • Fung Y.C., Yih C.S. Peristaltic transport//J. Appl. Mech. -1968. -Vol. 35. -P. 669-675.
  • Hariharan P., Seshadri V., Banerjee R.K. Peristaltic transport of non-Newtonian fluid in a diverging tube with different wave forms//Mathematical and Computer Modelling. -2008. -Vol. 48. -P. 998-1017.
  • Hofmann A.F. Bile acids: the good, the bad, and the ugly//Physiology. -1999. -Vol. 14. -P. 24-29.
  • Jaffrin M.Y., Shapiro A.H. Peristaltic pumping//Annual Review of Fluid Mechanics. -1971. -Vol. 3. -P. 13-35.
  • Klespitz J., Kovács L. Peristaltic pumps -a review on working and control possibilities//12th International Symposium on Applied Machine Intelligence and Informatics. -Herlany, 2014.
  • Kuchumov A.G., Gilev V.A., Popov V.A., Samartsev V.A., Gavrilov V.A. Non-Newtonian flow of pathological bile in the biliary system: experimental investigation and CFD simulations//Korea-Australia Rheology Journal. -2014. -Vol. 26. -P. 81-90.
  • Kuchumov A.G., Nyashin Y.I., Samartsev V.A. Modelling of peristaltic bile flow in the papilla ampoule with stone and in the papillary stenosis case: application to reflux investigation//Proceedings of 7th WACBE World Congress on Bioengineering. -Singapore, 2015. -Vol. 52. -P. 158-161.
  • Kuchumov A.G., Nyashin Y.I., Samartsev V.A., Gavrilov V.A. Modelling of the pathological bile flow in the duct with a calculus//Acta of Bioengineering and Biomechanics. -2013. -Vol. 15. -P. 9-17.
  • Kuchumov A.G., Nyashin Yu.I., Samartsev V.A. CFD approach to bile flow problems solution//Proceedings of 18th Symposium on Computational Biomechanics in Ulm. DOI: http://dx.doi.org/10.18725/OPARU-3181.
  • Latham T.W. Fluid motion in a peristaltic pump. Master Thesis. -Cambridge, MA, USA: Massachusetts Institute of Technology, 1966.
  • Li M., Brasseur J.G. Non-steady peristaltic transport in finite length tubes//Journal of Fluid Mechanics. -1993. -Vol. 248. -P. 129-151.
  • Li W.G., Luo X.Y., Chin S.B., Hill N.A., Johnson A.G., Bird N.C. Non-Newtonian bile flow in elastic cystic duct -One and three dimensional modelling//Annals of Biomedical Engineering. -2008. -Vol. 36. -P. 1893-1908.
  • Li W.G., Luo X.Y., Johnson A.G., Hill N.A., Bird N., Chin S.B. One-dimensional models of the human biliary system//ASME J. of Biomech. Eng. -2007. -Vol. 129. -P. 164-173.
  • Lo R.-C., Huang W.-L., Fan Y.-M. Evaluation of bile reflux in HIDA images based on fluid mechanics//Computers in Biology and Medicine. -2015. -Vol. 60. -P. 51-65.
  • Luo X.Y., Li W.G., Bird N., Chin S.B., Hill N.A., Johnson A.G. On the mechanical behaviour of the human biliary system//World Journal of Gastroenterology. -2007. -Vol. 13. -P. 1384-1392.
  • Maiti S., Misra J.C. Peristaltic flow of a fluid in a porous channel: a study having relevance to flow of bile within ducts in a pathological state//International Journal of Engineering Science. -2015. -Vol. 49. -P. 950-966.
  • Maiti S., Misra J.C. Peristaltic transport of a couple stress fluid: some applications to hemodynamics//Journal of Mechanics in Medicine and Biology. -2012. -Vol. 12. -P. 1-24.
  • Mernone A.V., Masumdar J. Mathematical modelling of peristaltic transport of a non-Newtonian fluid//J. Australian Physical and Engineering Sciences in Medicine. -1998. -Vol. 21. -P. 126-140.
  • Misra J.C., Pandey S.K. A mathematical model for oesophageal swallowing of a food bolus//Mathematical and Computer Modelling. -2001. -Vol. 33. -P. 997-1009.
  • Misra M., Rao A.R. Peristaltic transport in a channel with a porous peripheral layer: model of a flow in gastrointestinal tract//Journal of Biomechanics. -2005. -Vol. 38. -P. 779-789.
  • Mittra T.K., Prasad S.N. On the influence of wall properties and Poiseuille flow in peristalsis//Journal of Biomechanics. -1973. -Vol. 6. -P. 681-693.
  • Nadeem S., Hayat T., Akbar N.S., Malik M.Y. On the influence of heat transfer in perstalsis with variable viscosity//International Journal of Heat and Mass Transfer. -2009. -Vol. 52. -P. 4722-4730.
  • Nagarani P., Sarojamma G. Peristaltic transport of a Casson fluid in an asymmetric channel//Australasian Physical & Engineering Sciences in Medicine. -2004. -Vol. 27. -P. 49-59.
  • Nagarani P., Lewis A. Peristaltic flow of a Casson fluid in an annulus//Korea-Australia Rheology Journal. -2012. -Vol. 24. -P. 1-9.
  • Nagarani P., Sarojamma G. Peristaltic transport of small particles -power law fluid suspension in a channel//Australasian Physics & Engineering Sciences in Medicine. -2007. -Vol. 30. -P. 185-193.
  • Ooi R.C., Luo X.Y., Chin S.B., Johnson A.G. The flow of bile in the human cystic duct//Journal of Biomechanics. -2004. -Vol. 37. -P. 1913-1922.
  • Pandey S.K., Chaube M.K. Peristaltic transport of a visco-elastic fluid in a tube of non-uniform cross section//Mathematical and Computer Modelling. -2010. -Vol. 52. -P. 501-514.
  • Pandey S.K., Tripathi D. A mathematical model for peristaltic transport of micro-polar fluids//Applied Bionics and Biomechanics. -2011. -Vol. 8. -P. 279-293.
  • Pandey S.K., Tripathi D. A mathematical model for swallowing of concentrated fluids in oesophagus//Applied Bionics and Biomechanics. -2011. -Vol. 8. -P. 309-321.
  • Pandey S.K., Tripathi D. Peristaltic transport of a Casson fluid in a finite channel: application to flows of concentrated fluids in oesophagus//International Journal of Biomathematics. -2010. -Vol. 3. -P. 473-491.
  • Ravi Kumar Y.V.K., Krishna S.V.H.N., Kumari P., Ramana Murthy M.V., Sreenadh S. Unsteady peristaltic pumping in a finite length tube with permeable wall//ASME Journal of Fluids Engineering. -2010. -Vol. 132. -P. 10201-10214.
  • Riaz A., Nadeem S., Ellahi R., Akbar N.S. Series solution of unsteady peristaltic flow of a Carreau fluid in small intestines//Int. J. Biomath. -2014. -Vol. 7. -P. 1-9.
  • Roig M.P., Villar Ú.P., Monzó F.P., Franco A.C., Gil N.O., Matoses Á.B., Aparisi E.S., Gonzalez L.M., Martínez F.C. Biliary pancreatitis. Liver function tests and common biliopancreatic channel kinetics -Biliopancreatic reflux//Cirugía Española (English Edition). -2015. -Vol. 93. -P. 326-333.
  • Saffman P.G. On the boundary condition at the surface of a porous media//Stud. Appl. Math. -1971. -Vol. 50. -P. 93-101.
  • Shapiro A.H., Jaffrin M.Y., Weinberg S.L. Peristaltic pumping with long wavelength at low Reynolds number//Journal of Fluid Mechanics. -1969. -Vol. 37. -P. 799-825.
  • Siqin D., Wang C., Zhou Z., Li Y. The key event of acute pancreatitis: pancreatic duct obstruction and bile reflux, not a single one can be omitted//Med. Hypotheses. -2009. -Vol. 72. -P. 589-591.
  • Srinivas S., Muthuraj R. Effects of chemical reaction and space porosity on MHD mixed convective flow in a vertical asymmetric channel with peristalsis//Mathematical and Computer Modelling. -2011. -Vol. 54. -P. 1213-1227.
  • Tripathi D., Pandey S.K., Anwar Bég O. Mathematical modelling of heat transfer effects on swallowing dynamics of viscoelastic food bolus through the human oesophagus//International Journal of Thermal Sciences. -2013. -Vol. 70. -P. 41-53.
  • Tripathi D., Pandey S.K., Chaube M.K. Peristaltic transport of power law fluid in finite length vessels//International Journal of Mathematical Sciences and Engineering Applications. -2009. -Vol. 3. -P. 279-289.
  • Tsui Y.-Y., Guo D.-C., Chen S.-H., Lin S.-W. Pumping flow in a channel with a peristaltic wall//Journal of Fluids Engineering. -2014. -Vol. 136. -P. 1-9.
  • Vahidi B., Fatouraee N. A biomechanical simulation of ureteral flow during peristalsis using intraluminal morphometric data//Journal of Theoretical Biology. -2012. -Vol. 298. -P. 42-50.
  • Walker S.W., Shelley M.J. Shape optimization of peristaltic pumping//Journal of Computational Physics. -2010. -Vol. 229. -P. 1260-1291.
  • Yasuda I., Tomita E., Enya M., Kato T., Moriwaki H. Can endoscopic papillary balloon dilation really preserve sphincter of Oddi function?//Gut. -2001. -Vol. 49. -P. 686-691.
Еще
Статья научная