Identification and modelling of blood flow processes in section of large blood vessel using hybrid Euler-Lagrange multiphase approach

Computational fluid dynamics (CFD) in past known only in highly specialized technical engineering branch is nowadays one of main engineering tool in solving numerous complex problems in order to get crucial information and extend general knowledge in many fields. CFD allows to create new, more advanced systems and also optimize already created to enhance efficiency and/or reduce costs of production and operating. Actual situation demands from engineers to face difficult competition - fighting for minor fractions of efficiency due to construction and materials limitations. That operations do not concentrate only on that obvious disciplines like heat transfer, fluid dynamics or power-generation, but also new uncharted areas like automotive, chemical, aerospace, environmental engineering etc. One of that innovative field of CFD application is bio-engineering. In medicine, computer simulations can provide necessary, life-saving information with no interfere in patient body (in vivo), that allows to avoid later complications, application collisions and dangerous unpredictable after-effects. What more in several cases, in vitro analyses cannot be used through to life threats of treatment. The main objective of current project is to develop and test novel approach of accurate modelling of human blood flow in arteries. Currently available research reports do not cover the spatial interaction of individual blood phases and walls of blood vessels. Such approach could significantly reduce accuracy of such models. Proper simulations enriches general knowledge with specific details which could be crucial in early diagnosis of potential cardiac problems showing vulnerable zones (e.g. narrowed blood vessels). Such precise information are extremely difficult to obtain experimentally. Apart from multiphase concept of the project (that is considering every component of blood as separate phase assigning exceptional properties to each of them and determines relations between them) special attention was paid to the realism of geometry - considering the real system of the aortic segment (part of ascending aorta, aortic arch and part of thoracic aorta) including bifurcations. In addition a pulsating blood flow is being considered and implemented using built in UDF (User Defined Function) functionality of CFD code.

Obliczeniowa mechanika płynów (ang. CFD – Computational Fluid Dynamics) znana niegdyś tylko w wysoce wyspecjalizowanej technicznie branży jest jednym z podstawowych narzędzi inżynieryjnych w rozwiązywaniu wielu złożonych problemów, celem zdobycia kluczowych informacji i poszerzenia wiedzy ogólnej w wielu dziedzinach. CFD pozwala na tworzenie nowych, bardziej zaawansowanych systemów oraz na udoskonalanie już istniejących – poprawiając ich wydajność i/lub obniżając koszty produkcji oraz eksploatacji. Aktualna sytuacja wymaga od inżynierów zmierzenia się w trudnej dyscyplinie – walce o ułamki wydajności z powodu ograniczeń materiałowych i konstrukcyjnych. Przedsięwzięcia te nie koncentrują się jedynie na oczywistych dyscyplinach, takich jak przepływ ciepła, mechanika płynów czy wytwarzanie energii, ale także na nowych, niezbadanych sferach jak inżynieria motoryzacyjna, chemiczna, kosmiczna czy środowiska itd. Jednym z innowacyjnych zastosowań CFD jest bio-inżynieria. W medycynie, symulacje komputerowe są w stanie dostarczyć niezbędnych, nierzadko ratujących życie informacji, bez ingerencji w ciało pacjenta (in vitro), co pozwala uniknąć późniejszych komplikacji, zagrożeń występujących w trakcie wprowadzania przyrządów w ciało pacjenta czy niebezpiecznych nieprzewidywalnych powikłań. Ponad to w wielu przypadkach metody in vivo są niemożliwe do zastosowania ze względu na zagrożenie życia pacjenta. Głównym celem powyższego projektu było stworzenie i testy innowacyjnego, dokładnego modelu przepływu krwi w ludzkiej aorcie. Aktualnie dostępne badania nie uwzględniają przestrzennych interakcji pomiędzy poszczególnymi fazami krwi i ścianami naczyń krwionośnych. Takie podejście zdecydowanie zmniejsza dokładność tego typu modeli. Odpowiednie badania wzbogacają wiedzę ogólną o dokładne informacje , które mogą okazać się kluczowe we wczesnym diagnozowaniu problemów układu sercowo-naczyniowego, wskazując na potencjalnie podatne obszary (np. kurczące się naczynia krwionośne). Tak dokładne informacje są trudno dostępne do uzyskania na drodze badań. Poza wielofazowa koncepcją projektu, który rozpatruje każdy komponent krwi jako oddzielną fazę, przyporządkowując poszczególne właściwości do każdej z nich i uwzględniając ich wzajemne relacje, szczególną uwagę zwrócono na realistykę geometrii – zakładając rzeczywisty układ aortalny (część aorty wstępującej, łuk aortalny i część aorty zstępującej) uwzględniający bifurkację. Ponadto wprowadzono do modelu przepływ pulsacyjny za pomocą wbudowanej wewnętrznej funkcji programu. (ang. UDF – User Defined Function).