文摘
精心设计的套管必须允许良好的流量和减少nonphysiologic负载。静脉插管通常有侧孔灌注期间防止血管破裂。优化边孔角将产生更有效和安全的静脉插管。用数值模拟研究角度的影响(0°-45°)和数量(经历)的侧孔套管的性能。通过只斜侧孔,它增加了流量高达6%(在我们的模型)。此外,发现增加侧孔的数量减少了剪切率高达12%(在我们的模型)。介绍了一个名为“穿透深度”的新参数来描述流射流的干扰效应从侧孔,结果表明,45°斜侧洞最低干扰流动引起的套管。我们定量血流动力学分析研究提供了重要的静脉插管的设计指南。
1。介绍
套管是心脏手术最主要的工具之一,特别是当体外血液循环设备预计。设计中应特别注意静脉插管,因为相对于动脉插管,他们通常有侧孔提高水力性能的吸的血。这是特别重要的在考虑减少缓冲容量的(1)静脉水库需要更好的临床结果和(2),较低的中央静脉压力限制血液流动速度的主动控制体外设备。考虑到静脉插管的改进意味着一个更加稳定和高流量低的静脉压力条件下,侧孔参数的优化(大小、角度、位置、排列形状,等等)是一个实用的目标为提高静脉插管的疗效和安全性。在实际医疗/动物测试用例,医生经常遭受减少摄入体积体外系统由于不稳定的血液吸通过静脉插管;这里,值得注意的是,侧孔有助于预防血管破裂(妨碍插管)在灌注过程中1]。套管的性能评估,“M-number”(或“导管数”)已广泛应用(2];M-number是一个无量纲数,基于雷诺摩擦系数相关性和描述了套管压力的关系。然而,它只显示套管的主要性能和当地不描述其他血流动力学现象如漩涡,流动停滞/分离和机械应力。没有深刻理解和密切观察插管在本地流,它是几乎不可能的设计和评估适当的套管。
从这一点来看,计算流体力学(CFD)模型有许多有益的特性,比如当地的可视化的现象,解决方案所有物理参数,低成本、快,等等。Grigioni等人提出了一个全面的计算模型与方孔套管来预测机械创伤和强调,一个小血剪切应力可以是一个可能的临床问题3,4]。还公园等人研究了侧孔的数量和位置的影响流量和剪切应力使用CFD和提出了一个合适的静脉插管交错数组的方孔设计流量的观点和剪切速率5]。然而,先前的研究显示没有侧孔的倾斜角度的影响静脉插管,插管边孔角时应包括的主要参数设计和研究其对血流动力学的影响,如当地的流型,整体流量和剪切应力。
机械应力和化学受体激动剂(如血小板受体激动剂,改变血小板形态和聚合属性)可以激活血小板和诱导释放额外的血小板受体激动剂,如二磷酸腺苷(ADP)和血栓素A2 (TxA2) [6]。激活血小板,对伤口愈合很重要,往往坚持外交表面和插管可能导致重大问题,阀门、支架、氧合器、管,和其他人工循环设备。因此,应该尽可能减少机械应力,甚至需要近距离观察在小剪切率(SR)值,因为刚性微团聚体的形成可能发生低ADP浓度(0.25 - -2.0更易)[3]。此外,血液细胞损伤的累积效应会导致临床问题(3,7,8]。因此,我们的研究结果的SR(图5 (b))可以引导插管的使用和设计。这些结果表明,增加侧孔的数量通常降低了机械载荷放在血细胞。因此,在没有侧孔(NSH)插管,所有流向出口所得提示和血液细胞暴露于一定的机械负荷。随着侧孔数量的增加,大量的血液加入主流侧孔,导致减少接触机械负荷。因此,增加侧孔的数量降低了老的意思。
知道套管设计的主要目标是实现更高的流速较低剪切应力血细胞,这里我报告静脉插管边孔角的影响流量,最主要是,利用三维(3 d)模拟和研究流模式和剪切速率分布。四个不同的边孔角(0°、15°、30°、45°)和四个不同数量的侧孔(0、4、8、12)选择调查静脉插管的效果设计功能。根据我之前的研究显示了一个轻微的更好的性能发现交错数组的方孔(5,我采用了交错数组在这项研究中。对于理解角度效应的原因,我也提出了一种新的参数,名为“渗透深度(PD),”解释了flow-mixing主流和其他流之间的关系从一边洞。我形成了一个假设,流畅的混合模式(降低PD)应保证更好的血流动力学性能(高流量和低机械负载)静脉插管。我们的研究结果提供了洞察套管设计机械压力的后果血细胞和提供指导未来设计的静脉插管。最实际,我认为所有的侧孔应该有一个倾斜的特性更好的性能在临床情况下这样的体外循环系统操作。
2。材料和方法
2.1。套管几何和计算模型
表1显示了几何参数的静脉插管用于我们的建模。这是假定插管(内径:7毫米)是同中心地放置在一个20毫米直径的血管,类似于髂腔静脉的大小(9)(图1(一))。模型包括没有侧孔模型(NSH)和交错数组模型(SA) [5)用不同的数字(4、8、12)和角度(0°、15°、30°和45°)的孔(图1 (b))。角(θ)代表的旋转孔从原来的垂直位置(图1 (c)),孔直径(2毫米)保持不变。每个模型被任命为“侧孔的一侧holes-angle数”(例如,12 h-30°),被认为是13个不同套管设计。
(一)
(b)
(c)
创建一个有限体积法(有限)模型使用一个商业计划,流利的6(流利Inc .)。针对套管的横截面对称模型,只有必要的模拟几何(图的四分之一2);结构化网格系统是用于内插管和金字塔/移动网格用于外套管。我用了60000 12 h模型的网格数量;典型的侧孔附近的网格间距约为0.2毫米(看到insets,图2)。它被认为是一种模型的时候聚集在结果达到10动量方程和连续性方程的残差−12。
流被假定为层流和稳定,血(密度1060公斤/米3、动态粘度0.0035公斤/ m·s)被认为是均匀的,不可压缩牛顿流体。navier - stokes流运动方程和连续性方程被用于建模。没有考虑重力影响。压力边界条件设置在近端/远端血管的入口和出口的套管(图1(一))。在进口10毫米汞柱压力和出口压力是0毫米汞柱,使有效的压差10毫米汞柱。这个选择的是基于实际原因,最有利的条件是当自然排水体积足够的体外循环系统的操作,而平均静脉压力可以假定为10毫米汞柱;应该注意的是,主动排水循环泵的操作系统可能会导致更高的压差。被强加到对称的条件飞机和飞机(图2)。无滑移边界条件施加在血管壁和套管的内部和外部的墙。
支持分析,流量分布在2 d插管模型第一次被可视化评估侧孔角(图的影响3(一个))。一个轴对称模型使用3 d模型和尺寸一样。固定的流量是应用于外层入口,而压力边界应用于套管的入口。
(一)
(b)
2.2。剪切速率
除了流量,剪切率(SR),一个标量,是另一个必须考虑的重要的血流动力学因素在医疗器械的设计和评价通过血液流动。SR表示速度的变化率,相当于应变的一阶导数。本文的意思是SR volume-averaged值内套管剪切率的空间。我没有试图构建一个非常密集的网格系统来确定精确的峰值SR值。意味着老似乎更有意义,因为老最大的持续时间只观察附近的侧孔的边缘。
2.3。穿透深度
侧孔的角度可能影响的方向流过孔。这个流可以被描述为“穿透”的主流,从而扰乱了套管的流。因此,除了流量和SR,它提出了一个支持参数”,穿透深度(PD)。“PD的穿透距离流穿过一个洞。更高的PD意味着主流价值观得到干扰更大的流流从一边的洞。因此,套管设计有降低PD值应该被起诉。
3所示。结果与讨论
在2 d插管模型中,这显然是表明,套管边孔角有显著影响套管的流型。对应于每个几何图形模式(I, II, III)如图1 (c)PD是1.87,1.48和1.29毫米(图3 (b)),流速为2.83,3.2和3.49公斤/ s(注意,这是2 d模拟)。这里就发现几何模式II并不高效III和下降在3 d建模研究。注意,模式二世的大的侧孔大小(比模式III)可能会允许一个更高的侧孔流量;然而,它不应该被解释为净流模式的二世插管也高于模式III插管。
在3 d插管模型,观察到令人不安的流动模式。图4显示了一个典型的流动轨迹插管(12 h-45°);在这个图中,流型在套管外抑制澄清里面的流动分布。流扰动的主要流从一边洞套管的中心,因此此类干扰的最小化应实现静脉插管的新设计。我评价的影响的数量和边孔角插管流速和SRs。正如之前报道的(5),没有侧孔的套管(NSH)流量最高(2.03升/分钟)(图5)。套管的流速的侧孔没有倾斜(0°)减少侧孔的数量从4个增加至12(蓝色dash-dot线,图5(一个))。然而,只有斜方孔,流量增加约3 - 5%。我也比较老的套管与不同的设计。老NSH插管最高(619年代−1)(图5 (b))。侧孔的数量增加到12,SR下降了11%。很明显,SR流量的数量密切相关,然而,更多的侧孔有效地减少了剪切应力。此外,尽管壁剪切应力并不直接处理研究,应该注意的是,墙剪切应力水平套管(SR水平成正比5]。
(一)
(b)
与以前的研究结果一致(5,10),发现流速在套管不增加侧孔数量的增加从4到12(图5(一个))。是非常重要的知道侧孔可以导致套管的安全,但没有对流量的影响总是正的。一个违反直觉的发现是,侧孔可能导致套管的灌注。我们这边孔模型大约有6 - 14%流量低于控制(NSH)模型(插图,图5(一个))。这可能是因为一方洞打扰流模式,与“纠缠”流线侧孔(图附近出现4)。插管侧洞似乎影响流量通过套管(5]。然而,与以前的研究结果(5,10),目前的研究表明,更多的在我们的模型(12)侧洞可以恢复流量在一定程度上高边孔角提出了(30°、45°模型)。
我们的研究结果表明,平滑流型发生随着套管边孔角的增加,导致更高的流量(图5(一个))和更高的剪切应力(图5 (b))。很明显,流量补偿的优点获得的剪切应力;然而,必须采取特别注意减少剪切率。我认为这可以通过斜侧洞。的速度轮廓h-45 12°模型显示(图6()),从一个侧面流孔的强度对主流的中心(表示为一个PD)变小PD = 4.6到3.58毫米随着边孔角的增加从0°15°、45°(数据6(b) -6(d))。更深入的渗透这个流将减少网络流量通过套管,这是伴随着流量增加从1.78到1.9 L / min。PD边孔角成反比,导致增加更多尖尖的侧孔流量。这也适用于我们所有的其他模型与方孔。因此,PD可用于确定侧孔参数对流动的影响通过一个套管。表2显示了PDs在每个模型。
关于流量,最好的套管设计NSH模型。然而,由于侧孔允许套管的安全实现,套管与4 - 12侧孔似乎是不错的选择。12的SRs h-0°插管(557.2 s−1)是最低的。理想的套管设计/用可能依赖于独特的需求由特定的临床情况。然而,12 h-45°插管似乎已普遍使用,因为它是最好的设计与小流量损失,并适度小SRs(图5(一个))。
我们的研究也有一些局限性。首先,它被认为与恒压边界稳态系统,同心地将套管和刚性血管壁。我建议尤其是弹性的血管被认为是在未来的工作,因为这可能影响套管破裂和关闭的侧孔。无论如何,我们的定量比较研究的一般结论的数量和角插管侧洞仍然有效。
4所示。结论
在这项研究中,三维数值分析是用来研究边孔角的影响。我们研究的主要目标是改善血液流量通过斜方孔,另外,这可以适应任何其他主要改善套管的设计,因此,我认为所有的侧孔应配备一个水动力地设计角度更好的临床结果。它不能太强调当考虑专利可以危及生命的问题在医疗操作。特别是,我们的研究有两个重要的发现。首先,边孔角0°时,较少的侧孔与更高的流量,而更多的漏洞,减少机械老第二,边孔角是45°时,大量的侧孔允许更高的流量,因此更大的减少老,似乎有明确的优势静脉插管与大量的方孔在急性的天使。我建议套管设计还取决于个别病例的临床特征,应该基于插管血流动力学的深入了解。进一步的研究应该继续改进的其他参数,如侧孔形状和间距。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
承认
本研究支持格兰特Chung-Ang大学(2011)。