Koroner arterlerde kan akışının çok fazlı etkilerinin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of multiphase effects of blood flow in coronary arteries
Yazar: ORHAN YILDIRIM
Danışman: DOÇ. DR. ŞENDOĞAN KARAGÖZ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kardiyoloji = Cardiology ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akışkanlar = Fluids ; Akışkanlar dinamiği = Fluid dynamics ; Kan damarları = Blood vessels ; Koroner damarlar = Coronary vessels

Özet:
Amaç: Bu çalışmada insan vücudundaki kardiyovasküler sisteme benzer bir deney sistemi kurularak farklı nabız değerleri ve akışkana sahip arterdeki kan akışının, basınç düşümüne, peristaltik pompa çıkış basıncına ve en önemlisi de peristaltik pompanın harcadığı güç miktarına etkisi araştırılmıştır. Çalışma kapsamında hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CAD) yöntemi kullanılarak kan akışı tek fazlı ve iki fazlı olarak modellenmiş iki fazlı akışta kırmızı kan hücrelerinin (RBC) etkileri incelenmiştir.

Yöntem: Bu amaç doğrultusunda klinik ortamdan alınan Bilgisayarlı Tomografi görüntüleri sayesinde idealize edilmiş düz (%0) ve dar (%65) damar modelleri oluşmuştur. Üretilen bu modellerle birlikte deneysel çalışma için Xanthan-gum+su (XSCN+su) karışımı hazırlanarak Newton olmayan akışkan hazırlanıştır. Deney sisteminde akışkan olarak kullanılan Newton olan (saf su) ve Newton olmayan (XSCN+su), 72, 84, 96, 114, 132 ve 156 bpm için her bir nabız değerinde kullanılarak kan akışının etkileri incelenmiştir. Ayrıca test bölgesi ANSYS-Fluent yazılımı yardımıyla deneysel sınır şartları kullanılarak analiz edilmiş ve görselleştirilmiştir. Sayısal analizde kanın bileşimi ve yapısı dikkate alınarak tek ve iki fazlı akış olarak modellenmiştir. Tek fazlı akışta; kanın tek fazlı ve türbülanslı olduğu, viskozite yaklaşımı, sabit viskozite ve zamandan bağımsız casson modeli şartları dikkate alınmıştır. İki fazlı akışta ise sadece casson modeli kullanılarak akışın laminer ve türbülanslı akış olduğu şartlar dikkate alınmıştır. Plazma ve kırmızı kan hücrelerinin modellendiği iki fazlı akışta, plazma; Newton olan akışkan ve sabit viskozite, RBC ise Newton olmayan casson viskozite modeli kullanılmıştır. İki fazlı akışta RBC'nin 72,96 ve 132 bpm nabız değerleri için akış görselleştirme sayesinde dinamik viskozite, deformasyon hızı, hız, basınç, hacim oranı ve duvar kayma gerilmesi parametreleri dikkate alınmıştır. 

Bulgular: Test bölgesinde düz ve dar damar için artan nabız değerleriyle basınç düşümü, pompa basınç farkı ve pompanın harcadığı güç değerinin arttığı gözlemlenmiştir. Türbülans seviyesinin arttıkça nabzın da arttığı görülmüştür. Akışkan etkileri düşük nabızlarda birbirine yakın iken yüksek nabızlara fark yükselmektedir. Güç tüketimi, akışkanın viskozitesi ile ilişkilidir. Newton olan ve olmayan akışkan karşılaştırıldığında viskoz ve sürtünme etkileri ön plana çıkmaktadır. Kanın viskozitesi hemodinamik koşullara göre değişir. Farklı kayma hızlarında farklı viskoziteler oluşur. Tüm nabız değerlerinde dar modeldeki ΔP değeri düz modelden daha büyüktür. FFR yöntemi ile yapılan analiz sonucunda dar damardaki %65 daralma oranı arter için ciddi riskler oluşturabileceği sonucu elde edilmiştir. Nabızın artmasıyla yani türbülans seviyesi arttıkça duvar kayma gerilmesi artmıştır. Daralma bölgesinde duvar kayma gerilmesi maksimumdur ve tıkanıklığın varlığı nedeniyle akış oldukça bozulduğu için daralmadan sonra akış yönünde artar.   Newton tipi olmayan kan modelinin etkileri sonucu WSS artığı görülmüştür. RBC'nin hemodinamik kuvvetlere etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Dar ve düz damarda çıkış bölgesinde nabız oranı düştükçe RBC'hacim oranının %45 oranına yaklaştığı görülmüştür. Hacim oranı daralma bölgesinde ve kavislerin olduğu yerlerde ise RBC'lerin hacim oranının arttığı ve RBC yığıldığı görülmüştür. Türbülans seviyesi yani nabız arttıkça hız artar. RBC'lerin deformasyon hızı (strain rate) kan akış hızına, kanın viskozitesine ve damar geometrisine bağlı olarak değişir. Dar Damar'da daralma bölgesinden ve viskoz etkilerden dolayı basınçta ani düşüşler olduğu gözlemlenmiştir. Hacim oranı, kanın vizkositesini etkileyen ana faktördür. Hacim oranı arttıkça vizkosite artmaktadır.

Sonuç: Nabız değerindeki artış arterdeki basınç düşümünü artırmaktadır. Dar ve düz damarda düşük nabız oranı basınç düşümü birbirine yakın, nabız oranı artıkça aradaki farkın arttığı görülmüştür. %65 daralma oranına sahip dar damarda akışın tamamen türbülanslı akışa geçtiği ve nabız değerinin artışıyla basınç düşümü daha çok artmaktadır. Dar ve düz damarda debinin artışı basınç düşümünü de artırmaktadır. Dar ve düz damarda peristaltik pompada oluşan basınç farkı artan nabız oranı ile artmaktadır. Her iki damar için peristaltik pompada, artan nabız oranı ile pompanın harcadığı güç artmaktadır. Nabız oranı düşük olduğunda harcanan güç düşük iken nabız oranı arttıkça harcanan gücün arttığı görülmüştür. Deformasyon hızı arttıkça akışkan içindeki moleküllerin birbirlerine göre hareket etme hızı da artmaktadır. Bu durum, hareketlilik viskozitenin etkilerini de artırmaktadır. Yüksek deformasyon hızında, akışkanın içindeki moleküller birbirleriyle çarpışma ve sürtüne etkileri arttığı için viskozite artar. RBC'lerin deformasyon kabiliyeti, kan akışının düzenliliğini ve dolaşım etkinliğini etkileyen önemli bir parametredir.

Abstract:
Purpose: In this study, an experimental system similar to the cardiovascular system in the human body was set up and the effect of blood flow in the artery with different pulse values and fluid on the pressure drop, peristaltic pump output pressure and most importantly, the amount of power consumed by the peristaltic pump was investigated. Within the scope of the study, blood flow was modeled as single-phase and two-phase using computational fluid dynamics (CFD) method and the effects of red blood cells (RBCs) in two-phase flow were investigated.

Method: For this purpose, idealised straight (0%) and narrow (65%) vessel models were created by means of Computed Tomography images taken from the clinical centre. With these models, Xanthan-gum + water (XSCN + water) mixture was prepared for the experimental study and non-Newtonian fluid was prepared. Newtonian (pure water) and non-Newtonian (XSCN+water) fluids used in the experimental system were used at each pulse value for 72, 84, 96, 114, 132 and 156 bpm and the effects of blood flow were analysed. In addition, the test region was analysed and visualised using ANSYS-Fluent software with experimental boundary conditions. In the numerical analysis, considering the composition and structure of blood, it was modelled as single and two-phase flow. In single-phase flow, single-phase and turbulent blood, viscosity approximation, constant viscosity and time-independent casson model conditions are considered. For two-phase flow, only the casson model was used and the conditions of laminar and turbulent flow were considered. In the two-phase flow where plasma and red blood cells are modelled, plasma; Newtonian fluid and constant viscosity and RBC; non-Newtonian casson viscosity model is used. Dynamic viscosity, shear rate, velocity, pressure, volume fraction and wall shear stress parameters were taken into account by means of flow visualisation for RBC pulse values of 72,96 and 132 bpm in two-phase flow.

Findings: It was observed that the pressure drop, pump pressure difference and the power consumed by the pump increased with increasing pulse values for straight and narrow vessel in the test region. It was observed that the pulse increased as the turbulence level increased. While the fluid effects are close to each other at low pulses, the difference increases at high pulses. Power consumption is related to the viscosity of the fluid. When Newtonian and non-Newtonian fluids are compared, viscous and frictional effects come to the fore. The viscosity of blood varies according to hemodynamic conditions. Different viscosities occur at different shear rates. In all pulse values, the ΔP value in the narrow model is larger than the flat model. As a result of the analysis with the FFR method, it was concluded that a 65% narrowing rate in the narrow vessel may pose serious risks for the artery. The wall shear stress increased as the pulse rate increased, that is, as the turbulence level increased. The wall shear stress is maximum in the constriction zone and increases in the downstream direction after constriction as the flow is highly disturbed due to the presence of obstruction.   The effects of the non-Newtonian blood model resulted in an increase in WSS. It is observed that RBC has an effect on hemodynamic forces. As the pulse rate decreases in the exit zone in the narrow and straight vessel, it is observed that the RBC volume ratio approaches 45%. In the region of narrowing of the volume ratio and where there are curves, it was observed that the volume ratio of RBCs increased and RBCs accumulated. As the turbulence level, i.e. pulse, increases, the velocity increases. The strain rate of RBCs varies depending on the blood flow rate, blood viscosity and vessel geometry. In a narrow vessel, sudden drops in pressure have been observed due to the constriction zone and viscous effects. Volume fraction is the main factor affecting the viscosity of blood. As the volume fraction increases, the viscosity increases.

Results: The increase in pulse rate increases the pressure drop in the artery. In the narrow and straight vessel, the pressure drop at low pulse rate is close to each other and the difference increases as the pulse rate increases. In the narrow vessel with 65% percent narrowing rate, the flow is completely turbulent and the pressure drop increases more with the increase in pulse rate. The increase in flow rate in the narrow and straight vessel also increases the pressure drop. The pressure difference in the peristaltic pump in the narrow and straight vessel increases with increasing pulse rate. In the peristaltic pump for both vessels, the power consumed by the pump increases with increasing pulse rate. While the power consumed is low when the pulse rate is low, it is observed that the power consumed increases as the pulse rate increases. As the deformation rate increases, the rate at which the molecules in the fluid move relative to each other also increases. This mobility also increases the effects of viscosity. At high deformation velocity, viscosity increases as the molecules in the fluid collide with each other and friction effects increase. The deformability of RBCs is an important parameter affecting the regularity of blood flow and circulatory efficiency