بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی شکل هندسی دریچه دو لتی مصنوعی قلب
چکیده
بیماریهای دریچهای قلب با ایجاد تغییر شکل در ساختار دریچه، باعث اختلال در انجام وظیفه دریچه میگردند و در نتیجه عملکرد دریچه و قلب و متعاقب آن وضعیت جسمانی بیمار دچار مشکل میشود. در این حالات از دریچه های مصنوعی قلب به عنوان جایگزین استفاده میکنند. دریچه های مصنوعی قلب بواسطه وظیفه مهمی که به عهده دارند بایستی از شکل هندسی مناسنب و طراحی با ضریب اطمینان بالایی برخوردار باشند. شکل هندسی بهینه دریچه مصنوعی قلب را می توان با استفاده از تحلیل جریان خون اطراف دریچه بدست آورد. رفتار جریان خون عبوری از میان دریچه مصنوعی قلب در ناحیه آئورت را میتوان با استفاده از معادلات ناویر - استوک برای سیال ویسکوز غیر قابل تراکم بروش المانهای محدود مشابه سازی عددی کرد. با شبیه سازی عددی رفتار جریان خون می توان پروفیل سرعت را در مقاطع مختلف ریشه آئورت بدست آورد. برای بدست اوردن شکل هندسی بهینه دریچه مصنوعی قلب می توان با مقایسه مدلها با ابعاد مختلف بر اساس نوع پروفیل سرعت، نمونه بهینه را انتخاب کرد. در تحلیل FEM مدلها را به صورت دو بعدی متقارن در نظر گرفته و خون را به عنوان یک سیال نیوتنی ویسکوز غیر قابل تراکم برای دبی جریان ۲۰ لیتر بر دقیقه و جریان را به صورت لایه ای ارام فرض کردهایم. با استفاده از نرم افزار 4 NIS (استفاده از روش اجزاء محدود FEM)، ۱۵ مدل گوناگون دریچه های دولتی با ابعاد مختلف را از لحاظ شکل پروفیل سرعت محوری مورد مقایسه قرار داده و مدل با شکل هندسی بهینه را انتخاب کردیم.
مقدمه
دریچه های مکانیکی دولتی قلب عموما" به عنوان پروتز دریچه های قلب نصب می شوند. این نوع دریچه نسبت به دریچه های مکانیکی دیگر کارآیی بهتری از خود نشان - .دادهاند محاسبه دینامیک سیال (COrniputational Fluid Dynamics = CFD) یک وسیله کارآمد است که " می توانید برای تحقیق در مورد جریان در پایین دست دریچه های مصنوعی قلب استفاده شود و می تواند به خوبی الگوهای پیچیده جریان در داخل دریچه را توصیف کند. با تعریفت یک مدل CFD میتوان، تغییرات کوچک جریان را بررسی و توسط آن پارامترهای طراحی را ارزیابی کرد. بدین ترتیب طراحی شکل هندسی دریچه میتواند در طی سیکل طراحی با ساختن نمونه های اولیه بهینه شود. دو مدل CFD دو بعدی برای مطالعات یک پارامتر طراحی (میزان باز بودن زاویه لت دریچه) استفاده شده است [۱ و ۲/ هر دو این مطالعات بیان میکند که دریچه های مکانیکی
دولتی با زوایای باز شدن بزرگ بهتر از دریچه های دولتی با زاویه باز شدن کوچک میباشند. به هر حال اکثر مطالعات انجام شده/۳/ در این زمینه عموما" برای مقایسه دریچه های مصنوعی قلب از مدل CI"D کمک گرفته اند و کمتر از این روش برای محاسبه پارامترهای طراحی با اهده شده است. در این مطالعه برای تعیین ابعاد هندسی دریچه دولتی قلب از مدل CFD به کمک روش محاسبات عددی و روش المانهای محدود 22 S-- stå. FEM محدودیتهای فیزیکی اندازه گیریهای تجربی میدان سیال را مشکل میسازد، در این رابطه استفاده از روش های عددی برای محاسبه میدان سیال راهگشا بوده و توزیع سرعت را در تمامی میدان سیال به ما می دهد. بواسطه مشکلات محاسباتی سه بعدی، در اکثر موارد محاسبات دو بعدی برای تخمین سیال سه بعدی استفاده میشود.
در این تحقیق ابتدا هندسه اولیه ای برای دریچه فرض شده و سپس با استفاده از روش اجزاء محدود، پروفیلهای سرعت در پایین دست جریان برای مدلها با ابعاد مختلف بدست آورده و با هم مقایسه گردیده و بهترین نمونه معرفی شده است.
روشها
هندسه اولیه دریچه برای ابعاد ریشه آئورت از تحقیقات انجام شده توسط H .Rell, et al /۴/ استفاده شده است. سینوس آئورت به صورت متقارن و برای ریشه آئورت با قطر ۲۳ میلیمتر در نظر گرفته شده است. دریچه به صورت دولتی شبیه دریچه St. Jude Medical در نظر گرفته شده است که در شکل(۱) ابعاد آن در حالت دو بعدی مشاهده می شود.
d: عرضں رینگ
r: شعاع داخلی رینگ
t: ضخامت لت
R:شعاع خارجی رینگ
0 : زاویه باله با خط افق در حالت بسته بودن دریچه،
C: فاصله محور دوران تا خط محور قطری دریچه. زمانیکه دریچه بسته است لت با خط محوری قطری نقطه اشتراک هم را میسازد و با بدنه حلقه فقط اشتراک E را خواهد داشت.
b: فاصله شعاعی نقطه 4 محمد تا محور دوران صله نقطه 4 تا نقطه
B F: فاصله محوری نقطه تا محور دوران
8: فاصله نقطه B تا وسط عرض رینگ (2/d) در اینجال
d.Rو محل نقطہ B را قابت فرضس میکثیم ( جدول ۱) و بقیه را بر حسب انها بدست می آوریم.
پارامترهای T، C ،b ،a و C متغییر هستند. لذا چون حالت مقایسه ای وجود دارد می توان مقادیر اولیه ای را برای بعضی از متغیرها در نظر گرفت و با روش سعی و خطا بهترین مقادیر را تعیین کرد. همانطوریکه از رابطه ۲ و ۱ و شکل (۱) مشاهده می شود دو مقدار C و C از اهمیت بیشتری برخوردار هستند. مقادیر پیش فرض را برای این دو مقدار تعیین کرده و بقیه را بر حسب انها می نویسیم.
محدودیت ها:
زاویه ب0 : در حالتی که با خیلی کوچک باشد: ۱ - برای نگه داشتن دریچه در حالت بسته بایستی تکیه گاه تعبیه شود و با تعبیه تکیه گاه، دهانه رینگ دریچه تنگ تر شده و عبور جریان خون را محدود میکند. ۲ - اگر جریان برگشتی برای بستن دریچه شدید باشد احتمال قفل شدن دریچه وجود دارد. در حالتیکه 6 بزرگ در نظر گرفته شود اندازه لتها نیز بزرگ بدست می آید. و اندازه کلیه دریچه بزرگ شده و دریچه یک دریچه مطلوب نخواهد بود. برای پیش فرضی، تغییرات C را بین ۲۳ تا ۳۱ دریچه با فاصلهٔ ۲ درجه در نظر می گیریم . (oy = Y " Ya Yv Y4 Y \) مقدار C : حد پایینی C از یک مقدار حداقل نمیتواند کوچکتر شود چون هم آزادی حرکت و هم اندازه پایه دوران (محل لولای لت با دریچه) را محدود میکند. از طرفی نمی تواند از یک مقدار حداکثر بزرگتر شود. چون : ۱ - در آن صورت اختلاف فشار یا اختلاف نیروی لازم (نسبت به محل دوران) برای باز شدن دریچه بوجود نخواهد امد. ۲ - زمانیکه C بزرگ می شود محلهای لولای دریچه نسبت به هم فاصله گرفته و امکان ساخت نگهدارنده پایه های دوران . 3.- Sill (Pivot Guard) برای پیش فرض مقدار C را می توا áÈ” * برای مطالعات عددی، مدل دو بعدی بکار گرفته شده است. مدلهای دریچه دولتی در موقعیت کاملا" باز (با زاویه ۸۵ درجه) مورد استفاده قرار گرفته است شکل(۲). هندسه مدل آئورت و دریچه به صورت دو بعدی در حالت متقارن در نظر گرفته شده است. خون به عنوان بيکسيال نيوتنی، غير قابل تراکم باويسکوزيته ودانسيته فرض شده است.
