ОСОБЕННОСТИ ГЕМОДИНАМИКИ В СТРУКТУРНО-РАЗЛИЧНЫХ ВНУТРИОРГАННЫХ АРТЕРИАЛЬНЫХ БИФУРКАЦИЯХ СЕРДЦА ЧЕЛОВЕКА, ВЫЯВЛЯЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

  • Oleg K. Zenin Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный унивеситет» http://orcid.org/0000-0002-5447-1989
  • Vitalii S. Overko Институт прикладной математики и механики НАН Украины
  • Andrey V. Dmitriev Институт неотложной и восстановительной хирургии имени В. К. Гусака
  • Ilia S. Miltykh Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» http://orcid.org/0000-0002-9130-3255
Ключевые слова: численное моделирование, гемодинамика, внутриорганное артериальное русло сердца, структурно-различные дихотомии (бифуркации)

Аннотация

Цель. Путём численного моделирования проверить предположение о связи между типом дихотомии и особенностями движения крови в структурно-различных бифуркациях внутриорганного артериального русла сердца человека.

Материал и методы. Использовали результаты морфометрии реального артериального русла сердца. Для моделирования нестационарного ламинарного течения применяли решение полной системы уравнений Навье-Стокса, полученное с помощью неявной разностной схемы в пакете ANSYS.

Результаты. Установлено: дихотомия (бифуркация) первого типа (полная асимметрия) увеличивает интенсивность флуктуаций расхода и максимальную скорость потока, а также уменьшает динамическую вязкость крови в большей ветви. В меньшей ветви формируется квазистационарное течение. Дихотомия (бифуркация) второго типа (боковая асимметрия) уменьшает максимум скорости потока и значение динамической вязкости во всех ветвях. Дихотомия (бифуркация) третьего типа (односторонняя симметрия) увеличивает максимум скорости потока и уменьшает динамическую вязкость. Дихотомия (бифуркация) четвертого типа (полная симметрия) уменьшает максимум скорости потока, деформирует профиль скорости и значительно увеличивает вязкость крови. Более того зона с увеличенной вязкостью распространяется из ядра потока практически на всю область течения.

Выводы. Результаты моделирования позволяют утверждать о разной функциональной роли артериальных дихотомий (бифуркаций) структурно-различных типов. После прохождения различных типов дихотомий (бифуркаций) поток крови приобретает унифицированные свойства, необходимые для течения в гемомикроциркуляторном участке русла. Выявленные особенности необходимо учитывать при численном моделировании структуры внутриорганного артериального русла сердца человека и внутриартериальной гемодинамики.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Oleg K. Zenin, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный унивеситет»

д.м.н., профессор кафедры «Анатомия человека»

Vitalii S. Overko, Институт прикладной математики и механики НАН Украины

младший научный сотрудник

Andrey V. Dmitriev, Институт неотложной и восстановительной хирургии имени В. К. Гусака

к.м.н., заведующий отделением рентгенэндоваскулярной хирургии

Ilia S. Miltykh, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет»

 студент 3-го курса

Литература

Guryanov V.G., Dovgyallo Yu.V., Zenin O.K. Ukrainskiy morfologicheskiy al’manakh, 2005, vol. 3, no. 4, pp. 26-27.

Dmitriev A.V. Vestnik neotlozhnoy i vosstanovitel’noy meditsiny, 2008, vol. 9, no. 1, pp. 32-36.

Dmitriev A.V., Zenin O.K., Dovgyallo Yu.V. Vestnik neotlozhnoy i vosstanovitel’noy meditsiny, 2007, vol. 8, no. 2, pp. 297-302.

Zenin O.K., Kizilova N.N., Filippova E.N. Biofizika, 2007, vol. 52, no. 5, pp. 924-930.

Shtutіn O.A., Dmitrієv A.V., Zenіn O.K. Tavricheskiy mediko-biologicheskiy vestnik, 2006, vol. 9, no. 3, pp. 190-193.

Janssen C.R.M. et al. Angle matching in intravascular elastography. Ultrasonics, 2000, vol. 38, no. 1-8, pp. 417-423. http://homepage.tudelft.nl/t4n4v/4_Journals/Ultrasonics/Ultr_00.pdf

Van Beek J.H., Roger S.A., Bassingthwaighte J.B. Regional myocardial flow heterogeneity explained with fractal networks. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 1989, vol. 257, no. 5, pp. H1670-H1680. https://doi.org/10.1152/ajpheart.1989.257.5.H1670

Bell J.B., Colella P., Glaz H.M. Second-Order Projection Method for the Incompressible Navier-Stokes Equations. Journal of Computational Physics, 1989, vol. 85, no. 2, pp. 257-283. https://doi.org/10.1016/0021-9991(89)90151-4

Stefanou K. et al. Blood flow in arterial segments: Rigid vs. deformable walls simulations. Journal of Serbian Society for Computational Mechanics, 2011, vol. 5, no. 1, pp. 69-77. http://www.sscm.kg.ac.rs/jsscm/downloads/Vol5No1/Vol5No1_paper6.pdf

Moccia S. et al. Blood vessel segmentation algorithms — Review of methods, datasets and evaluation metrics. Computer Methods and Programs in Biomedicine, 2018, vol. 158, pp. 71-91. https://doi.org/10.1016/j.cmpb.2018.02.001

Gharahi H. Computational fluid dynamic simulation of human carotid artery bifurcation based on anatomy and volumetric blood flow rate measured with magnetic resonance imaging. International Journal of Advances in Engineering Sciences and Applied Mathematics, 2016, vol. 8, no. 1, pp. 46-60. https://doi.org/10.1007/s12572-016-0161-6

Revellin R. Extension of Murray’s law using a non-Newtonian model of blood flow. Theoretical Biology and Medical Modelling, 2009, vol. 6, no. 1, article number: 7. https://doi.org/10.1186/1742-4682-6-7

Fredrich T., Welter M., Rieger H. Dynamic vessel adaptation in synthetic arteriovenous networks. Journal of Theoretical Biology, 2019, vol. 483, 109989. https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2019.109989

Greenwald S.E., Berry C.L. Improving vascular grafts: the importance of mechanical and haemodynamic properties. The Journal of Pathology, 2000, vol. 190, no. 3, pp. 292-299. https://doi.org/10.1002/(sici)1096-9896(200002)190:3%3C292::aid-path528%3E3.0.co;2-s

Hagmeijer R., Venner C.H. Critical review of Murray’s theory for optimal branching in fluidic networks. arXiv, 2018. https://arxiv.org/abs/1812.09706

Issa R. Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting. Journal of Computational Physics, 1986, vol. 62, no. 1, pp. 40-65. https://doi.org/10.1016/0021-9991(86)90099-9

Schreiner W. et al. Limited Bifurcation Asymmetry in Coronary Arterial Tree Models Generated by Constrained Constructive Optimization. Journal of General Physiology, 1997, vol. 109, no. 2, pp. 129-140. https://doi.org/10.1085/jgp.109.2.129

Huang W. Morphometry of the human pulmonary vasculature. Journal of Applied Physiology, 1996, vol. 81, no. 5, pp. 2123-2133. https://doi.org/10.1152/jappl.1996.81.5.2123

Murray C.D. The Physiological Principle of Minimum Work: I. The Vascular System and the Cost of Blood Volume. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1926, vol. 12, no. 3, pp. 207-214. https://doi.org/10.1073/pnas.12.3.207

Murray C.D. The Physiological Principle of Minimum Work: II. Oxygen Exchange in Capillaries. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1926, vol. 12, no. 5, pp. 299-304. https://doi.org/10.1073/pnas.12.5.299

Murray C.D. The physiological principle of minimum work applied to the angle of branching of arteries. Journal of General Physiology, 1926, vol. 9, no. 6, pp. 835-841. https://doi.org/10.1085/jgp.9.6.835

Johnston B.M. Non-Newtonian blood flow in human right coronary arteries: Steady state simulations. Journal of Biomechanics, 2004, vol. 37, no. 5, pp. 709-720. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2003.09.016

Olufsen M.S. A One-Dimensional Fluid Dynamic Model of the Systemic Arteries / Fauci L.J., Gueron S. (eds). Computational Modeling in Biological Fluid Dynamics. The IMA Volumes in Mathematics and its Applications, 2001, vol. 124, pp. 167-187. Springer, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-0151-6_9

Pollanen M.S. Dimensional optimization at different levels of the arterial hierarchy. Journal of Theoretical Biology, 1992, vol. 159, no. 2, pp. 267-270. https://doi.org/10.1016/s0022-5193(05)80706-4

Pries A.R., Secomb T.W., Gaehtgens P. Design Principles of Vascular Beds. Circulation Research, 1995, vol. 77, no. 5, pp. 1017-1023. https://doi.org/10.1161/01.res.77.5.1017

Roux, W. Ueber die Verzweigungen der Blutgefsse. Eine morphologische Studie. Z. Naturwissenschaft, 1878, vol. 12, pp. 205-266.

Shibeshi S.S., Collins W.E. The rheology of blood flow in a branched arterial system. Applied Rheology, 2005, vol. 15, no. 6, pp. 398-405. https://doi.org/10.1515/arh-2005-0020

Schreiner W. et al. The branching angles in computer-generated optimized models of arterial trees. Journal of General Physiology, 1994, vol. 103, no. 6, pp. 975-989. https://doi.org/10.1085/jgp.103.6.975


Просмотров аннотации: 299
Загрузок PDF: 232
Опубликован
2021-04-29
Как цитировать
Zenin, O., Overko, V., Dmitriev, A., & Miltykh, I. (2021). ОСОБЕННОСТИ ГЕМОДИНАМИКИ В СТРУКТУРНО-РАЗЛИЧНЫХ ВНУТРИОРГАННЫХ АРТЕРИАЛЬНЫХ БИФУРКАЦИЯХ СЕРДЦА ЧЕЛОВЕКА, ВЫЯВЛЯЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture, 13(2), 11-31. https://doi.org/10.12731/2658-6649-2021-13-2-11-31
Раздел
Кардиология. Сердечно-сосудистые заболевания