SUPERVISOR
ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما) سیدغلامرضا اعتماد (استاد راهنما) محمد تفضلی شادپور (استاد مشاور)
STUDENT
محمود رضا صادقی باغسرخی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1381
TITLE
Numerical Simulation of Blood Flow in Vessels with Arterial Stenosis Considering Fluid Structure Interaction
In this thesis, the effect of the complexity increase of hemodynamic patterns on the variations of Stress Phase Angle (SPA) and the correlation between the hemodynamic parameters such as the mean Wall Shear Stress (WSS), Oscillatory Shear Index (OSI) and SPA have been studied numerically. The increase of severity, numbers of stenoses, fluid-solid interaction and non-Newtonian fluid model have been considered. For simulating the transient behavior of blood flow in the arterial system, experimental data have been used for the coronary artery. In order to obtain the experimental data, an experimental system with the ability to simulate conditions close to the physiological blood flow in the arteries has been designed. Numerical simulations have been performed using the ADINA 8.2 software. Also, the geometric variations caused by the plaques and fluid -solid interaction can cause significant changes in the velocity and pressure field and consequently the WSS and WCS (or strain). So, the effectiveness of the presence of multiple stenoses on the variations of hemodynamic parameters such as WSS, WCS (or strain) and SPA has been studied. In this regard, at first, the impact of stenoses geometry, increase of their severities and also the impact of plaque hardening on the variation of the hemodynamics parameters such as the fluid shear stresses and wall stresses in a steady state have been studied. Then the impact of some of these factors on the variations of hemodynamic parameters such as the means WSS, OSI and SPA for the existing pressure wave form and pulsatile physiological flow in carotid artery has been studied. The obtained results show that any parameter that causes increase in the complexity of hemodynamic patterns can be effective on the hemodynamic parameters’ correlation such as the mean WSS, OSI and the SPA. Also, the obtained results for both steady and unsteady flow show that due to the increase of OSI and the decrease of WSS and SPA at the base of asymmetric plaques, these kind of plaques and especially asymmetric multiple plaques are more prone to instability compared to the symmetric plaques. The maximum shear stresses are also higher for the asymmetric plaques especially the asymmetric multiple plaques compared to the symmetric plaques and therefore there are more prone to erosion and thrombosis. In the post-stenotic area of the asymmetric plaques and especially the asymmetric multiple plaques, the separation region, the amount of OSI after the second pick and the negative SPA are all larger than that of the symmetric plaques. So, for asymmetric plaques, the possibility of the formation of new plaques is higher. The review of the impact of the hardening of plaques also shows the increase of stress concentration at the plaque-wall interface, the decrease of the minimum stress, the increase of shear stress in the stenotic throat area and the increase of pressure in the pre-stenotic area compared to the normal state. Keywords: Atherosclerosis, Stress Phase Angle, Low mean Wall Shear Stress, Oscillatory Shear Index Pulsatile Flow, Coronary Artery, Carotid Artery, Multiple Stenoses.
: اعتقاد بر آن است که تغییرات پارامترهای همودینامیکی نظیر تنش های برشی ناشی از عبور جریان خون و تنش ها (یا کرنش های) محیطی دیواره ناشی از فشار خون از طریق بارگذاری سلول های اندوتلیال در شکل گیری و توسعه بیماریهایی نظیر آتروسکلروسیس دخالت دارند. با شروع و توسعه بیماری آتروسکلروسیس، سطح مقطع داخلی شریان کاهش یافته، گرفتگی های شریانی شکل گرفته و موجب پیچیدگی الگوهای همودینامیکی می شوند. در حالیکه برخی از مطالعات صرفا پارامترهای همودینامیکی نظیر متوسط زمانی تنش برشی و شاخص برش نوسانی (OSI ) را مرتبط با ضخیم شدگی و شروع بیماری دیواره دانسته اند، مطالعات دیگری نیز وجود دارند که در آنها ارتباطی بین الگوهای تنش برشی و ضخیم شدگی دیواره نمی توان یافت. یکی از دلایل این اختلاف را می توان تمرکز این مطالعات صرفا بر روی تنش برشی سیال دانست. زیرا برخی از مطالعات نشان داده اند که پاسخ های مورفولوژیکی و بیوشیمیایی سلول های اندوتلیالی که تحت تاثیر همزمان تنش برشی وتنش (یا کرنش) محیطی (که می توان توسط پارامتر همودینامیکی زاویه فاز تنش آنرا بیان نمود) قرار می گیرند، متفاوت با پاسخ آنها به تک تک تنش هاست. از طرف دیگر پیچیدگی الگوهای همودینامیکی نیز خود ممکن است بر روی همبستگی پارامترهای همودینامیکی تاثیرگذار باشد. لذا در این رساله تاثیر افزایش پیچیدگی الگوهای همودینامیکی بر روی تغییرات زاویه فاز تنش و همبستگی آن با پارامترهایی نظیر متوسط زمانی تنش برشی و شاخص برش نوسانی از طریق افزایش درصد و تعداد گرفتگی ها و با استفاده از روش های عددی مبتنی بر در نظر گرفتن اندرکنش سیال-جامد و استفاده از فرض سیال غیرنیوتنی مطالعه شده است. برای شبیه سازی رفتار گذرا در سیستم شریانی از داده های آزمایشگاهی برای شریان کرونری استفاده شده است. جهت بدست آوردن داده های آزمایشگاهی یک سیستم آزمایشگاهی با توانایی شبیه سازی شرایطی نزدیک به شرایط فیزیولوژیک جریان خون در شریان طراحی شده است. شبیه سازی های عددی نیز توسط نرم افزار ADINA 8.2 انجام شده است. بررسی نتایج بدست آمده نشان می دهند که هر عاملی که موجب افزایش پیچیدگی الگوهای همودینامیکی شود، می تواند بر همبستگی پارامترهای همودینامیکی نظیر متوسط زمانی تنش برشی، شاخص برش نوسانی و زاویه فاز تنش تاثیر گذار باشد به گونه ای که افزایش پیچیدگی جریان می تواند منجر به ایجاد نواحی شود که اگرچه در آنجا متوسط تنش برشی بیشتر از Pa 1 و شاخص برش نوسانی مساوی صفر است، حال آنکه زاویه فاز تنش مقدار منفی بزرگی دارد و نشان می دهد که حتی در این نواحی امکان توسعه بیماری وجود دارد. علاوه براین نتایج نشان می دهند که رشد هریک از پلاک های متوالی با تاثیر گذاری بر روی زاویه فاز تنش می تواند بر پایداری و یا ناپایداری پلاک دیگر تاثیر بگذارد. همچنین از آنجا که تغییرات هندسی ناشی از وجود پلاک ها و تعامل سیال (خون) با جامد ( یعنی پلاک و دیواره) می تواند منجر به تغییرات قابل توجهی در میدان سرعت و فشار و در نتیجه تنش برشی سیال و تنش (یا کرنش) دیواره شود، تاثیر حضور گرفتگی های متوالی مجاورهم بر روی تغییرات پارامتر های همودینامیکی نظیر تنش برشی سیال، تنش (یا کرنش) دیواره و زاویه فاز تنش مطالعه شده است. در این راستا ابتدا تاثیر هندسه گرفتگی ها، افزایش درصد و تعداد آنها و نیز تاثیر سخت شدن پلاک ها بر روی نحوه تغییرات تنش های برشی سیال و تنش ها (یا کرنش های) دیواره در حالت پایا و سپس تاثیر برخی از این فاکتورها بر روی تغییرات پارامترهای همودینامیکی نظیر متوسط زمانی تنش برشی، شاخص برش نوسانی و زاویه فاز تنش با استفاده از شکل موج های فشار و جریان پالسی فیزیولوژیکی موجود برای شریان کاروتید در حالت ناپایا مطالعه شده است. نتایج بدست آمده برای انواع گرفتگی ساده و متوالی مجاورهم متقارن و نامتقارن در هر دو حالت جریان پایا وناپایا نشان می دهند که به دلیل کاهش تنش برشی، افزایش شاخص برش نوسانی و منفی تر شدن زاویه فاز تنش در ناحیه پایه پلاک های نامتقارن، این نوع پلاک ها و مخصوصا پلاک های متوالی مجاورهم نامتقارن در مقایسه با پلاک های متقارن بیشتر مستعد ناپایداری و به دلیل پایین بودن مینیمم تنش های دیواره بیشتر مستعد متراکم شدن و در نتیجه شکست هستند. در صورت رشد این نوع پلاک ها به درصدهای بالای گرفتگی نیز ماکزیمم تنش برشی در آنها بیشتر از پلاک های متقارن بوده و لذا بیشتر مستعد سایش و درنتیجه ایجاد ترومبوس هستند. همچنین بزرگتر بودن ناحیه جریان برگشتی، بزرگتر بودن شاخص برش نوسانی بعد از دومین نقطه ماکزیمم این شاخص و نیز منفی تر بودن زاویه فاز تنش در ناحیه بعد از پلاک های نامتقارن و مخصوصا پلاک های متوالی نامتقارن نشان دهنده بالاتر بودن احتمال توسعه پلاک و شکل گیری پلاکی جدید در ناحیه بعد از پلاک های نامتقارن در مقایسه با پلاک های متقارن است. نتایج بررسی تاثیر سخت شدن پلاک ها نیز نشان دهنده افزایش شدید تمرکز تنش در مرز پلاک ودیواره ، کاهش تنش حداقل، افزایش تنش برشی در قله گرفتگی وافزایش فشار در پروکسیمال گرفتگی نسبت به حالت نرمال می باشد که شرایط نامطلوبی نسبت به حالت نرمال است.