ВПЛИВ ТОРСІЙНОГО РУХУ ЛІВОГО ШЛУНОЧКА (ЛШ) НА ОСОБЛИВОСТІ КРОВООБІГУ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2222-0631.2025.02(9).13Ключові слова:
лівий шлуночок, торсійний рух, течія крові, поля тиску, поля швидкості, кардіальний цикл, різницева схема другого порядку точності, різниці проти потокуАнотація
Торсійний рух (або скручування) лівого шлуночка (ЛШ) відіграє важливу роль у відношенні до викиду та наповнення лівого шлуночка. Протягом серцевого циклу спостерігається систолічне скручування та раннє діастолічне розкручування ЛШ навколо його довгої осі через протилежно спрямовані апікальні та базальні обертання. Зі сторони апексу ЛШ, систолічне апікальне обертання відбувається проти годинникової стрілки, а базальне обертання – за годинниковою стрілкою. Розмір і характеристики цієї торсійної деформації були описані в різних клінічних та експериментальних дослідженнях, і добре встановлено, що обертання ЛШ чутливе до змін як регіональної, так і глобальної функції ЛШ. Тому оцінка обертання ЛШ представляє собою цікавий підхід для кількісної оцінки функції ЛШ. Розуміння патернів кровотоку в серці має численні застосування в аналізі гемодинаміки та клінічній оцінці функції серця. У цьому дослідженні представлені чисельні симуляції кровотоку в ідеалізованій моделі лівого шлуночка та аортального синуса. Рух стінок ЛШ та аортального синуса отримано з аналізу кінематичних зображень МРТ і використано як обмеження для чисельної моделі обчислювальної гідродинаміки, основаної на підході рухомої межі. Результати симуляцій включають детальні характеристики потоку, такі як швидкість, тиск та зсув напруги стінок для всього обʼєму. Також, щоб моделювати поведінку потоку рідини всередині лівого шлуночка серця людини (ЛШ), необхідно враховувати влив неньютоновської поведінки крові на чисельне прогнозування протягом всього серцевого циклу. Експериментальні дослідження свідчать, що кров значно демонструє поведінку, що повʼязана з неньютонівськими властивостями крові, у таких захворюваннях, як інфаркт міокарда, цереброваскулярні захворювання та гіпертонія; отже, реологічність крові слід застосовувати в чисельному моделюванні серцево-судинних систем. Крім того, внаслідок недавнього прогресу в комп’ютерній обчислювальній гідродинаміці тепер стало легше реалізувати складні неньютонівські припущення в рівняннях Навʼє – Стокса. У цій статті аналізується вплив торсійного руху стінок лівого шлуночка серця людини на характеристики кровообігу у камері ЛШ та в початковій ділянці аорти. Неньютонівські ефекти були враховані, використовуючи модель Карро – Ясуди. Ця модель описує кров як неньютонівську рідину з кінцевими ньютонівськими станами, що відповідають постійному значенню вʼязкості. Важливо відзначити, що таке модельне представлення досить добре узгоджується з експериментальними даними.
Посилання
Fyrenius A., Wigström L., Ebbers T., Karlsson M., Engvall J., Bolger A. Three dimensional flow in the human left atrium. Heart (British Cardiac Society). 2001, vol. 86(4), pp. 448–455. DOI: 10.1136/heart.86.4.448.
Kilner P. J., Yang G.-Z., Wilkes A. J., Mohiaddin R. H., Firmin D. N., Yacoub M. H. Asymmetric redirection of flow through the heart. Nature. 2000, vol. 404(6779), pp. 759–764. DOI: 10.1038/35008075.
Tanne D., Bertrand E., Pibarot P., Rieu R. Asymmetric flows in an anatomical-shaped left atrium by 2C-3D+T PIV measurements. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. COMPUT METHODS BIOMECH BIOMED, 2008, vol. 11, pp. 209–211. DOI: 10.1080/ 10255840802298943.
Thomas Helle-Valle, Jonas Crosby, Thor Edvardsen, Erik Lyseggen, Brage H. Amundsen, Hans-Jørgen Smith, Boaz D. Rosen, João A.C. Lima, Hans Torp, Halfdan Ihlen, Otto A. Smiseth. New Noninvasive Method for Assessment of Left Ventricular Rotation. Circulation. 2005, 112:3149– 3156. DOI: 10.1161/ CIRCULATIONAHA.104.531558.
McDonald I. G. The shape and movements of the human left ventricle during systole: a study by cineangiography and by cineradiography of picardial markers. The American journal of cardiology. 1970, vol. 26(3), pp. 221–230. DOI: 10.1016/0002-9149(70)90787-3.
Rademakers F. E., Buchalter M. B., Rogers W. J., Zerhouni E. A., Weisfeldt M. L., Weiss J. L., Shapiro E. P. Dissociation between left ventricular untwisting and filling: accentuation by catecholamines. Circulation. 1992, vol. 85(4), pp. 1572–1581. DOI: 10.1161/01.cir.85.4.1572.
Gibbons Kroeker C. A., Ter Keurs H. E., Knudtson M. L., Tyberg J. V., Beyar R. An optical device to measure the dynamics of apex rotation of the left ventricle. The American journal of physiology. 1993, vol. 265(4 Pt 2), H1444 –H1449. DOI: 10.1152/ajpheart.1993.265.4.H1444.
Moon M. R., Ingels N. B. Jr., Daughters G. T., Stinson E. B., Hansen D. E., Miller D. C. Alterations in left ventricular twist mechanics with inotropic stimulation and volume loading in human subjects. Circulation. 1994, vol. 89(1), pp. 142–150. DOI: 10.1161/01.cir.89.1.142.
Hansen D. E., Daughters G. T., Alderman E. L., Ingels N. B., Stinson E. B., Miller D. C. Effect of volume loading, pressure loading, and inotropic stimulation on left ventricular torsion in humans. Circulation. 1991, vol. 83(4), pp. 1315–1326. DOI: 10.1161/01.cir.83.4.1315.
Notomi Y., Lysyansky P., Setser R. M., Shiota T., Popović Z. B., Martin-Miklovic M. G., Weaver J. A., Oryszak S. J., Greenberg N. L., White R. D., Thomas J. D. Measurement of ventricular torsion by two-dimensional ultrasound speckle tracking imaging. Journal of the American College of Cardiology. 2005, vol. 45(12), pp. 2034–2041. DOI: 10.1016/j.jacc.2005.02.082.
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. DOI: 10.1016/0021-9991(86)90099-9.
Stefanou K., Naka K., Michalis L., Filipović N., Parodi O. Blood flow in arterial segments: Rigid vs. deformable walls simulations. J. Serbian Soc. Comput. Mech. 2011, vol. 5, pp. 69–77.
Shibeshi S. S., Collins W. E. The rheology of blood flow in a branced arterial system. Applied rheology (Lappersdorf, Germany: Online). 2005, vol. 15(6), pp. 398–405. DOI: 10.1901/jaba.2005.15-398.
Gharahi H., Zambrano B. A., Zhu D. C., DeMarco J. K., Baek S. 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(1), pp. 46–60. DOI: 10.1007/s12572-016-0161-6.
Olufsen M. S. A one-dimensional fluid dynamic model of the systemic arteries. Stud. Health Technol. Inform. 2000, vol. 71, pp. 79–97. PMID: 10977605.
Johnston B. M., Johnston P. R., Corney S., Kilpatrick D. Non-Newtonian blood flow in human right coronary arteries: Steady state simulations. J. Biomech. 2004, vol. 37, pp. 709–720. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2003.09.016.
Bell J. B., Colella P., Glaz H. M. Second-Order Projection Method for the Incompressible Navier-Stokes Equations. J. Comput. Phys. 1989, vol. 283, pp. 257–283. DOI: 10.1016/0021-9991(89)90151-4.
Sigrid Kaarstad Dahl. Numerical Simulations of Blood Flow in the Left Side of the Heart. Thesis for the degree of Philosophiae Doctor Trondheim. Norwegian University of Science and Technology, 2012. 118 p.
Watanabe H., Sugiura S., Kafuku H., Hisada T. Multiphysics Simulation of Left Ventricular Filling Dynamics Using Fluid-Structure Interaction Finite Element Method. Biophysical Journal. 2004, Vol. 87(3), pp. 2074–2085. DOI: 10.1529/biophysj.103.035840.
