Πειραματική και υπολογιστική μελέτη ροής σε μοντέλα αγγείων με παθοφυσιολογικά χαρακτηριστικά
Authors: Σταματόπουλος Χρήστος 
Published: January 2014

Το ανεύρυσμα κοιλιακής αορτής είναι μία μη φυσιολογική διεύρυνση της αρτηρίας, ενώ ο σχηματισμός αθηρωματικής πλάκας δημιουργεί τοπική στένωση του αγγείου καθιστώντας προβληματική την αιματική ροή. Τόσο η στένωση όσο και το ανεύρυσμα είναι δύο είδη αγγειακής παθοφυσιολογίας που αποτέλεσαν το αντικείμενο μελέτης της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Η προσέγγιση του εν λόγω προβλήματος είχε ως στόχο να συσχετίσει τη ρευστομηχανική μελέτη που πραγματοποιήθηκε με την παθογένεια και τους μηχανισμούς εξέλιξης των δύο αυτών αγγειακών παθήσεων. Από την υπάρχουσα βιβλιογραφία φαίνεται ότι μη φυσιολογικές τιμές τοιχωματικών διατμητικών τάσεων και των κλίσεών τους σχετίζονται με τον εκφυλισμό των αγγειακών τοιχωμάτων και με διεργασίες ανάπτυξης των παραπάνω παθήσεων. Παρόλο που οι αλληλεπιδράσεις των ρευστομηχανικών μεγεθών με το ενδοθηλιακό ιστό είναι πολυπαραγοντικές και δεν έχουν αποσαφηνιστεί πλήρως επιχειρείται με την παρούσα μελέτη να δοθούν πληροφορίες από ρευστομηχανικής πλευράς που θα μπορούασν να βοηθήσουν στην κατανόησή τους. Στο πρώτο τμήμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε το πεδίο ροής σε ένα μοντέλο συμμετρικού ανευρύσματος με τη χρήση συστήματος 2D PIV και του λογισμικού υπολογιστικής ρευστομηχανικής FLUENT, παρουσιάζοντας ικανοποιητική ομοιότητα. Για την περίπτωση μόνιμου πεδίου ροής και για Re που μεταβαλλόταν σε ένα εύρος 105-690 η ζώνη ανακυκλοφορίας αυξάνεται με τον αριθμό Re και η γραμμή επανακόλλησης μετατοπίζεται προς την έξοδο του μοντέλου. Στην περίπτωση του μη μόνιμου πεδίου η παροχή ήταν ημιτονοειδής, με αριθμό Womersley 3.3. Κατά τη διάρκεια της αρχής της επιτάχυνσης, μία δακτυλιοειδής δίνη σχηματίζεται στην εισόδου του μοντέλου και δύο σημεία ανακοπής εμφανίζονται στον άξονα συμμετρίας του μοντέλου των οποίων η απόσταση μειώνεται με την πάροδο του χρόνου, και τελικά απαλείφονται όταν η πλειονότητα των στοιχείων του ρευστού αλλάζει κατεύθυνση. Οι τοιχωματικές διατμητικές τάσεις παρουσιάζουν τοπικό μέγιστο κοντά στην έξοδο της διεύρυνσης που είναι ανάλογο με την χρονικά μεταβαλλόμενη παροχή. Η γραμμή επανακόλλησης μετατοπίζεται κατά μήκος του τοιχώματος με το χρόνο, καθώς και το μέγιστο της πίεσης το οποίο εντοπίζεται πάντοτε κατάντι αυτής. Σωματίδια χωρίς μάζα απελευθερώθηκαν σε διάφορα σημεία του ανευρύσματος και διάφορες χρονικές στιγμές της περιόδου του κύκλου. Οι τροχιές τους έδειξαν ότι τα σωματίδια δεν εγκλωβίζονται στη ζώνη ανακυκλοφορίας ενώ κατά την κίνησή τους ασκούνται σε αυτά μεταβαλλόμενες διατμητικές τάσεις. Στο δεύτερο τμήμα της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε το πεδίο ροής στο εσωτερικό μοντέλου ανευρύσματος κοιλιακής αορτής συμπεριλαμβανομένου και του αορτικού διχασμού στις λαγόνιες αρτηρίες ,η γεωμετρία του οποίου ελήφθη από συγκεκριμένο ασθενή. Εν φάσει μέσες τιμές της ταχύτητας ελήφθησαν σε 14 επίπεδα με τη χρήση συστήματος 2D-PIV και ανέδειξαν ενδιαφέροντα στοιχεία της εξέλιξης της ροής κατά τη διάρκεια του κύκλου με αριθμό Womersley 5.5, μέσο Re 191 και μέγιστο Re 541. Το συγκεκριμένο ανεύρυσμα διευρύνεται ασύμμετρα κατά την εμπρόσθια πλευρά της αορτής προκαλώντας τη δημιουργία δίνης στην είσοδό του κατά τη φάση της επιτάχυνσης καλύπτοντας ολόκληρο τον όγκο της διεύρυνσης προοδευτικά πριν τη μεγιστοποίηση της παροχής. Το ρευστό που εισέρχεται στο ανεύρυσμα προσπίπτει στην αριστερή πλευρά του και πλησίον της εξόδου του, ακολουθώντας τον άξονα του ανάντι τμήματος της αορτής. Η είσοδος του ρευστού με τον τρόπο αυτό προκαλεί αύξηση της παροχής στην αριστερή λαγόνια αρτηρία (σε σχέση με τη δεξιά λαγόνια αρτηρία). Υψηλές τιμές διατμητικών τάσεων εμφανίζονται στην είσοδο και έξοδο του ανευρύσματος καθώς και κατά μήκος του οπίσθιου τοιχώματος, μεταβαλλόμενες ανάλογα με την παροχή ενώ χαμηλές τιμές διατμητικών τάσεων εντοπίζονται στην περιοχή ανακυκλοφορίας. Στις ίδιες περιοχές παρατηρούνται έντονες διαταραχές της ροής οι οποίες ενισχύονται κατά τη μεγιστοποίηση της ροής και τη φάση της επιβράδυνσης. Στο μέγιστο της παροχής και κατά τη διάρκεια της φάσης της επιβράδυνσης παρατηρείται μία ελικοειδής κίνηση της ροής (συστροφή) στο ανεύρυσμα λόγω της εκτός επιπέδου καμπύλωσης της αορτής........................................................................................................................................................................................................