Механика кровотока и деформирования стенок в брюшной аорте

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Обсуждаются медицинские проблемы механики сосудов применительно к вопросам кровотока и деформирования стенок в брюшной части аорты человека, в том числе при образовании аневризмы. Анализируются публикации, в которых изложены современные медицинские представления о гидромеханике кровотока и деформациях стенок артерий, а также в которых даются физические параметры необходимые для математического моделирования. Приводятся результаты сопряженного математического моделирования кровотока и деформаций стенок в брюшной части аорты при различных патологических процессах в ней, рассматриваемых при моделировании как механические повреждения, в том числе при наличии аневризмы. Также анализируется влияние аневризмы на процесс осаждения эритроцитов из кровотока.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. А. Верезуб

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

Д. В. Гандилян

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

Д. С. Лисовенко

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

В. В. Пантюшов

Станция скорой и неотложной медицинской помощи им. А.С. Пучкова

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

А. И. Простомолотов

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Трегубов В.П. Математическое моделирование неньютоновского потока крови в дуге аорты // Компьютерные исследования и моделирование. 2017. Т. 9. Вып. 2. С. 259–269. https://doi.org/10.20537/2076-7633-2017-9-2-259-269
  2. Hughes T.J.R., Liu W.K., Zimmermann T.K. Lagrangian–Eulerian finite element formulation for incompressible viscous flows // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 1981. V. 29. № 3. P. 329–349. https://doi.org/10.1016/0045-7825(81)90049-9
  3. Urquiza S.A., Blanco P.J., Venere M.J., Feijoo R.A. Multidimensional modelling for the carotid artery blood flow // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 2006. V. 195. P. 4002–4017. https://doi.org/10.1016/j.cma.2005.07.014
  4. Ladisa J.F., Figueroa C.A., Vignon-Clementel I.E. et. al. Computational simulations for aortic coarctation: representative results from a sampling of patients // J. Biomech. Eng. 2011. V. 133. № 9. P. 091008. https://doi.org/10.1115/1.4004996
  5. Mokhtar W. Effect of negative angle cannulation during cardiopulmonary bypass – A computational fluid dynamics study. Inter. J. Biomedical Eng. Sci. 2017. V. 4. № 2. P. 1–13. https://doi.org/10.5121/ijbes.2017.4201
  6. Svensson J., Gårdhagen R., Heiberg E. et. al. Feasibility of patient specific aortic blood flow CFD simulation // Lecture Notes in Computer Science “Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention – MICCAI 2006”. 2006. V. 4190. P. 257–263. https://doi.org/10.1007/11866565_32
  7. Simão M., Ferreira J., Tomás A.C. et. al. Aorta ascending aneurysm analysis using CFD models towards possible anomalies // Fluids. 2017. V. 2. № 2. P. 31. https://doi.org/10.3390/fluids2020031
  8. Ku D.N. Blood flow in arteries // Annu. Rev. Fluid Mech. 1997. V. 29. № 1. P. 399–434. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.29.1.399
  9. Mueller T., Rengier F., Muller-Eschner M. et. al. Supra aortic blood flow distribution measured with phase-contrast MR angiography // European Society of Radiology. European Congress of Radiology (ECR 2012), 2012. https://dx.doi.org/10.1594/ecr2012/C-2020
  10. Shin E., Kim J.J., Lee S. et. al. Hemodynamics in diabetic human aorta using computational fluid dynamics // PLoS ONE. 2018. V. 13. № 8. P. e0202671. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0202671
  11. Morris L., Delassus P., Callanan A. et. al. 3-D Numerical simulation of blood flow through models of the human aorta // J. Biomech. Eng. 2005. V. 127. № 5. P. 767. https://doi.org/10.1115/1.1992521
  12. Vlachopoulos C., O’Rourke M., Nichols W.W. McDonalds blood flow in arteries: Theoretical, experimental and clinical principles. London: CRC Press, 2011. 768 p. https://doi.org/10.1201/b1356
  13. Klipstein R., Firmin D., Underwood S. et. al. Blood flow patterns in the human aorta studied by magnetic resonance // Heart. 1987. V. 58. № 4. P. 316–323. https://doi.org/10.1136/hrt.58.4.316
  14. Stein P., Sabbah H. Turbulent blood flow in the ascending aorta of humans with normal and diseased aortic valves // Circulation Research. 1976. V. 39. № 1. P. 58–65. https://doi.org/10.1161/01.res.39.1.58
  15. Липовка А.И., Карпенко А.А., Чупахин А.П., Паршин Д.В. Исследование прочностных свойств сосудов абдоминального отдела аорты: результаты экспериментов и перспективы // Прикл. Мех. Техн. Физ. 2022. Т. 63. Вып. 2. С. 84–93. https://doi.org/10.15372/PMTF20220208
  16. Медведев А.Е., Ерохин А.Д. Математический анализ деформации аорты при аневризме и расслоении стенок // Матем. биология и биоинформ. 2023. Т. 18. № 2. С. 464–478. https://doi.org/10.17537/2023.18.464
  17. Robinson W.P., Schanzer A., Li Y. et. al. Derivation and validation of a practical risk score for prediction of mortality after open repair of ruptured abdominal aortic aneurysms in a US regional cohort and comparison to existing scoring systems // J. Vascular Surgery. 2013. V. 57. № 2. P. 354–361. https://doi.org/10.1016/j.jvs.2012.08.120
  18. Backes D., Vergouwen M.D., Tiel Groenestege A.T. et. al. Phases score for prediction of intracranial aneurysm growth // Stroke. 2015. V. 46. № 5. P. 1221–1226. https://doi.org/10.1161/strokeaha.114.008198
  19. Attard M. Finite strain – isotropic hyperelasticity // Int. J. Solids Struct. 2003. V. 40. № 17. P. 4353–4378. https://doi.org/10.1016/S0020-7683(03)00217-8
  20. Fluid-Structure Interaction in a Network of Blood Vessels // Comsol Documentation. 18 p. https://doc.comsol.com/6.1/doc/com.comsol.help.models.sme.blood_vessel/blood_vessel.html
  21. Fadhil N.A., Hammoodi K.A., Jassim L. et. al. Multiphysics analysis for fluid–structure interaction of blood biological flow inside three-dimensional artery // Curved and Layered Structures. 2023. V. 10. № 1. P. 20220187. https://doi.org/10.1515/cls-2022-0187
  22. Каро К., Педди Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. М.: Мир, 1981. 624 с.
  23. Khosravi A., Bani M.S., Bahreinizade H., Karimi A. A computational fluid–structure interaction model to predict the biomechanical properties of the artificial functionally graded aorta // Biosci. Rep. 2016. V. 36. № 6. P. e00431 https://doi.org/10.1042/BSR20160468
  24. Федотова Я.В., Епифанов Р.Ю., Волкова И.И. и др. Персонализированное численное моделирование гемодинамики аневризмы брюшной аорты: анализ чувствительности к входным граничным условиям // Теплофизика и аэромеханика. 2024. № 2. С. 405–422.
  25. Sabbah H.N., Hawkins E.T., Stein P.D. Flow separation in the renal arteries // Arteriosclerosis. 1984. V. 4. № 1. P. 28–33. https://doi.org/10.1161/01.atv.4.1.28
  26. Lee K., Shirshin E., Rovnyagina N. et. al. Dextran adsorption onto red blood cells revisited: single cell quantification by laser tweezers combined with microfluidics // Biomedical Optics Express. 2018. V. 9. № 6. P. 2755–2764. http://dx.doi.org/10.1364/BOE.9.002755
  27. Простомолотов А.И., Верезуб Н.А. Механика процессов получения кристаллических материалов. М.: МИСиС, 2023. 568 с. https://doi.org/10.61726/5600.2024.15.25.001
  28. Funck C., Laun F.B., Wetscherek A. Characterization of the diffusion coefficient of blood // Magnetic Resonance in Medicine. 2018. V. 79. № 5. P. 2752–2758. https://doi.org/10.1002/mrm.26919
  29. Hund S.J., Antaki J.F. An extended convection diffusion model for red blood cell enhanced transport of thrombocytes and leukocytes // Phys. Med. Biol. 2009. V. 54. P. 6415–6435. https://doi.org/10.1088/0031-9155/54/20/024
  30. Бокерия Л.А. Аневризмы аорты. М.: Медицина. 2001. 204 с.
  31. Foller M., Braun M., Qadri S.M. et. al. Temperature sensitivity of suicidal erythrocyte death // Eur. J. Clinical Investigation. 2010. V. 40. № 6. P. 534–540. https://doi.org/10.1111/j.1365-2362.2010.02296.x

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Основная расчетная схема: (а) – модель брюшной аорты, здесь показаны отверстия втекания и вытекания крови: i = 1, 2, … 5; (b) – точки, в которых проводились вычисления; (c) – утончение стенки аорты в окрестности потенциального дефекта.

Скачать (229KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Графики напряжений для 3-х вариантов расчетной модели: (a) – основная модель (модель 1); (b) – основная модель с утонченной стенкой (модель 2); (c) – основная модель, имеющая дефект в виде отверстия (модель 3). Зависимости 1, 2, 3, 4 и 5 построены для точек, указанных на рис. 1b.

Скачать (478KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Отношения напряжений (напряжение при случае утонченной стенки к напряжению при нормальном состоянии) в соответствующих точках. Зависимости 1, 2, 3, 4 и 5 построены для точек, указанных на рис. 1b.

Скачать (126KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Визуализация для моделей 1, 2, 3 мгновенных состояний кровотока при t = 2 c: (а) – скорость и (b) – давление в кровотоке; (c) – поле смещений стенки аорты.

Скачать (594KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Визуализация для моделей 1, 2, 3 мгновенных состояний кровотока при t = 2.5 c: (а) – скорость и (b) – давление в кровотоке; (c) – поле смещений стенки аорты.

Скачать (601KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Составные части аорты: 1 – грудная, 2 – брюшная.

Скачать (73KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Брюшная аорта с мешковидной аневризмой.

Скачать (104KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Схематичное изображение эритроцита.

Скачать (31KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Математическая модель кровотока в брюшной аорте с аневризмой, состоящей из большого “мешка” 4 и малого “мешка” 5, здесь показано сечение втекания крови 1 и сечения ее вытекания 2, 3.

Скачать (29KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Пульсирующая волна скорости потока (а) и картина кровотока (b) в брюшной аорте, пульсации скорости в сечении 2 (c).

Скачать (212KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Изменение концентрации эритроцитов, % (а), схема сечений (b) и для них – графики концентрации эритроцитов (c).

Скачать (233KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025