Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Phân tích ứng suất cắt tường trong một động mạch phình dạng tổng quát dưới các điều kiện dòng chảy giật và chuyển tiếp
Tóm tắt
Trong nghiên cứu này, dòng chảy qua một động mạch phình bụng tổng quát dưới các điều kiện dòng chảy xung động thực tế được khảo sát bằng cách sử dụng kỹ thuật từ trường siêu âm (MRV), kỹ thuật đo vận tốc Doppler laser (LDV) và động lực học chất lỏng tính toán (CFD). Ảnh hưởng của các hiện tượng dòng chảy tới ứng suất cắt tường (WSS) được xem xét. Một vòng xoáy mạnh hình thành trong giai đoạn tâm thu tại đầu gần của động mạch phình và sau đó di chuyển xuống dưới và suy giảm. Sự hình thành xoáy đóng một vai trò quan trọng trong phân bố tạm thời và không gian của WSS, điều này được phân tích chi tiết. Một đỉnh của WSS được quan sát trong một khoảng thời gian rất hạn chế và ở một khu vực rất tập trung, nơi vòng xoáy ban đầu hình thành. Việc trung bình theo thời gian nội tại trong quá trình thu thập dữ liệu MRV được phát hiện làm giảm đáng kể đỉnh này. Các kết quả CFD và LDV, cũng được trung bình theo cách tương tự, cho thấy hành vi tương tự. Điều này chỉ ra rằng bên cạnh độ phân giải không gian, độ phân giải theo thời gian là một yếu tố quan trọng, cần được xem xét đặc biệt trong các dòng chảy nơi có vòng xoáy xuất hiện. Các kết quả từ LDV và CFD cho thấy sự nhất quán tuyệt vời với trường vận tốc thu được từ MRV. Trong khi dòng chảy được xác định là laminar trong đường kính chưa giãn nở, các kết quả cho thấy hành vi chuyển tiếp giữa laminar – turbulent trong các giai đoạn cụ thể của chu kỳ bên trong khối động mạch phình. Mặc dù MRV không thể đo sự dao động vận tốc tại một thời điểm, chúng tôi cho thấy rằng sự gia tăng định kỳ của cường độ độ rối có thể được quan sát từ các nghệ thuật hình ảnh trong dữ liệu MRV. Những nghệ thuật này làm tăng độ không chắc chắn về vận tốc, điều này tương quan tốt với sự dao động vận tốc được đo bằng LDV. Mặc dù dòng chảy gặp các điều kiện laminar và chuyển tiếp cũng như nhiều vòng xoáy và điểm ngưng đọng và tái gắn kết, mô hình ứng suất Reynolds nhạy cảm với sự không ổn định đã được cải thiện, được sử dụng cho các mô phỏng số trong công việc này, cho thấy sự nhất quán rất tốt với các phép đo. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện bởi nhiều nhóm nghiên cứu trong những năm qua để cải thiện ước lượng WSS từ dữ liệu MRV. Tuy nhiên, việc đánh giá các phương pháp hậu xử lý khác nhau này chỉ có thể thực hiện nếu giá trị thực của WSS được biết. Do đó, nghiên cứu hiện tại nhằm cung cấp các giá trị WSS chân thực cũng như dữ liệu MRV tương ứng, cho phép các nhóm nghiên cứu khác xác thực phương pháp ước lượng WSS của họ sử dụng tập dữ liệu thực nghiệm được trình bày trong công việc này.
Từ khóa
#ứng suất cắt tường #động mạch phình #dòng chảy giật #động lực học chất lỏng tính toán #vòng xoáyTài liệu tham khảo
Aggarwal S, Qamar A, Sharma V, Sharma A (2011) Abdominal aortic aneurysm: a comprehensive review. Exp Clin Cardiol 16(1):11
Arzani A, Shadden SC (2016) Characterizations and correlations of wall shear stress in aneurysmal flow. J Biomed Eng 138(1):014503
Asbury CL, Ruberti JW, Bluth EI, Peattie RA (1995) Experimental investigation of steady flow in rigid models of abdominal aortic aneurysms. Ann Biomed Eng 23(1):29–39
Bauer A, Wegt S, Bopp M, Jakirlic S, Tropea C, Krafft AJ, Shokina N, Hennig J, Teschner G, Egger H (2019) Comparison of wall shear stress estimates obtained by laser Doppler velocimetry, magnetic resonance imaging and numerical simulations. Exp Fluids 60(7):112
Bauer S, Markl M, Föll D, Russe M, Stankovic Z, Jung B (2013) K-t GRAPPA accelerated phase contrast MRI: improved assessment of blood flow and 3-directional myocardial motion during breath-hold. J Magn Reson Imaging 38(5):1054–1062
Bopp M, Bauer A, Wegt S, Jakirlic S, Tropea C (2019) A computational and experimental study of physiological pulsatile flow in an aortic aneurysm. In: 11th International symposium on turbulence and shear flow phenomena, Southampton, UK
Boussel L, Rayz V, McCulloch C, Martin A, Acevedo-Bolton G, Lawton M, Higashida R, Smith WS, Young WL, Saloner D (2008) Aneurysm growth occurs at region of low wall shear stress: patient-specific correlation of hemodynamics and growth in a longitudinal study. Stroke 39(11):2997–3002
Boyd AJ, Kuhn DC, Lozowy RJ, Kulbisky GP (2016) Low wall shear stress predominates at sites of abdominal aortic aneurysm rupture. J Vasc Surg 63(6):1613–1619
Bruschewski M, Freudenhammer D, Buchenberg W, Schiffer H-P, Grundmann S (2016) Estimation of the measurement uncertainty in magnetic resonance velocimetry based on statistical models. Exp Fluids 57(5):57–83
Budwig R, Elger D, Hooper H, Slippy J (1993) Steady flow in abdominal aortic aneurysm models. J Biomed Eng 115(4A):418–423
Constantinides CD, Atalar E, McVeigh ER (1997) Signal-to-noise measurements in magnitude images from NMR phased arrays. Magn Reson Med 38(5):852–857
Deplano V, Guivier-Curien C, Bertrand E (2016) 3D analysis of vortical structures in an abdominal aortic aneurysm by stereoscopic PIV. Exp Fluids 57(11):167
Deplano V, Knapp Y, Bertrand E, Gaillard E (2007) Flow behaviour in an asymmetric compliant experimental model for abdominal aortic aneurysm. J Biomech 40(11):2406–2413
Deplano V, Meyer C, Guivier-Curien C, Bertrand E (2013) New insights into the understanding of flow dynamics in an in vitro model for abdominal aortic aneurysms. Med Eng Phys 35(6):800–809
Dolan JM, Kolega J, Meng H (2013) High wall shear stress and spatial gradients in vascular pathology: a review. Ann Biomed Eng 41(7):1411–1427
Durst F, Ismailov M, Trimis D (1996) Measurement of instantaneous flow rates in periodically operating injection systems. Exp Fluids 20:178–188
Egelhoff C, Budwig R, Elger D, Khraishi T, Johansen K (1999) Model studies of the flow in abdominal aortic aneurysms during resting and exercise conditions. J Biomech 32(12):1319–1329
Fillinger MF, Raghavan ML, Marra SP, Cronenwett JL, Kennedy FE (2002) In vivo analysis of mechanical wall stress and abdominal aortic aneurysm rupture risk. J Vasc Surg 36(3):589–597
Finol E, Keyhani K, Amon C (2003) The effect of asymmetry in abdominal aortic aneurysms under physiologically realistic pulsatile flow conditions. J Biomed Eng 125(2):207–217
Hussain AKMF, Reynolds WC (1970) The mechanics of an organized wave in turbulent shear flow. J Fluid Mech 41(2):241–258
Jakirlić S, Hanjalić K (2002) A new approach to modelling near-wall turbulence energy and stress dissipation. J Fluid Mech 459:139–166
Jakirlić S, Maduta R (2015) Extending the bounds of ‘steady’ RANS closures: toward an instability-sensitive Reynolds stress model. Int J Heat Fluid Flow 51:175–194
Jung B, Stalder AF, Bauer S, Markl M (2011) On the undersampling strategies to accelerate time-resolved 3D imaging using k-t-GRAPPA. Magn Reson Med 66(4):966–975
Jung B, Ullmann P, Honal M, Bauer S, Hennig J, Markl M (2008) Parallel MRI with extended and averaged GRAPPA kernels (PEAK-GRAPPA): optimized spatiotemporal dynamic imaging. J Magn Reson Imaging 28(5):1226–1232
Kemmerling EM, Peattie RA (2018) Abdominal aortic aneurysm pathomechanics: current understanding and future directions. In: Fu BM, Wright NT (eds) Molecular, cellular, and tissue engineering of the vascular system. Springer, Berlin, pp 157–179
Kousera C, Wood N, Seed W, Torii R, O’regan D, Xu X (2013) A numerical study of aortic flow stability and comparison with in vivo flow measurements. J Biomed Eng 135(1):011003
Lasheras JC (2007) The biomechanics of arterial aneurysms. Annu Rev Fluid Mech 39:293–319
Markl M, Frydrychowicz A, Kozerke S, Hope M, Wieben O (2012) 4D flow MRI. J Magn Reson Imaging 36(5):1015–1036
Meng H, Wang Z, Hoi Y, Gao L, Metaxa E, Swartz DD, Kolega J (2007) Complex hemodynamics at the apex of an arterial bifurcation induces vascular remodeling resembling cerebral aneurysm initiation. Stroke 38(6):1924–1931
Menter FR, Egorov Y (2010) The scale-adaptive simulation method for unsteady turbulent flow predictions. Part 1: theory and model description. Flow Turbul Combust 85(1):113–138
Miura Y, Ishida F, Umeda Y, Tanemura H, Suzuki H, Matsushima S, Shimosaka S, Taki W (2013) Low wall shear stress is independently associated with the rupture status of middle cerebral artery aneurysms. Stroke 44(2):519–521
Montalba C, Urbina J, Sotelo J, Andia ME, Tejos C, Irarrazaval P, Hurtado DE, Valverde I, Uribe S (2018) Variability of 4D flow parameters when subjected to changes in MRI acquisition parameters using a realistic thoracic aortic phantom. Magn Reson Med 79(4):1882–1892
Munarriz PM, Gómez PA, Paredes I, Castaño-Leon AM, Cepeda S, Lagares A (2016) Basic principles of hemodynamics and cerebral aneurysms. World Neurosurg 88:311–319
Peattie RA, Riehle TJ, Bluth EI (2004) Pulsatile flow in fusiform models of abdominal aortic aneurysms: flow fields, velocity patterns and flow-induced wall stresses. J Biomed Eng 126(4):438–446
Perktold K (1987) On the paths of fluid particles in an axisymmetrical aneurysm. J Biomech 20(3):311–317
Rotta JC (1972) Turbulente Strömungen: Eine Einführung in die Theorie und ihre Anwendung. Teubner Verlag, Stuttgart
Salsac A-V, Sparks S, Chomaz J-M, Lasheras J (2006) Evolution of the wall shear stresses during the progressive enlargement of symmetric abdominal aortic aneurysms. J Fluid Mech 560:19–51
Sonnenberger R, Graichen K, Erk P (2000) Fourier averaging: a phase-averaging method for periodic flow. Exp Fluids 28(3):217–224
Taylor TW, Yamaguchi T (1994) Three-dimensional simulation of blood flow in an abdominal aortic aneurysm—steady and unsteady flow cases. J Biomech Eng Trans ASME 116(1):89–97
van Ooij P, Markl M, Collins JD, Carr JC, Rigsby C, Bonow RO, Malaisrie SC, McCarthy PM, Fedak PW, Barker AJ (2017) Aortic valve stenosis alters expression of regional aortic wall shear stress: new insights from a 4-dimensional flow magnetic resonance imaging study of 571 subjects. J Am Heart Assoc 6(9):e005959
Vorp DA, Raghavan M, Webster MW (1998) Mechanical wall stress in abdominal aortic aneurysm: influence of diameter and asymmetry. J Vasc Surg 27(4):632–639
Watton P, Selimovic A, Raberger NB, Huang P, Holzapfel G, Ventikos Y (2011) Modelling evolution and the evolving mechanical environment of saccular cerebral aneurysms. Biomech Model Mech 10(1):109–132
White CR, Haidekker M, Bao X, Frangos JA (2001) Temporal gradients in shear, but not spatial gradients, stimulate endothelial cell proliferation. Circulation 103(20):2508–2513
Womersley JR (1955) Method for the calculation of velocity, rate of flow and viscous drag in arteries when the pressure gradient is known. J Physiol Lond 127:553–563
Yip T, Yu S (2001) Cyclic transition to turbulence in rigid abdominal aortic aneurysm models. Fluid Dyn Res 29(2):81–113
Yip T, Yu S (2003) Cyclic flow characteristics in an idealized asymmetric abdominal aortic aneurysm model. Proc Inst Mech Eng H 217(1):27–39
Zimmermann J, Demedts D, Mirzaee H, Ewert P, Stern H, Meierhofer C, Menze B, Hennemuth A (2018) Wall shear stress estimation in the aorta: impact of wall motion, spatiotemporal resolution, and phase noise. J Magn Reson Imaging 48(3):718–728