การศึกษาเชิงตัวเลขสองมิติแบบสมมาตรตามแกนของการไหลของเลือดผ่านหลอดเลือดตีบและหลอดเลือดที่ใส่ขดลวด

Numerical study of two-dimensionally axi-symmetric blood flow through an occluded vessel and a stented vessel

Abstract

        งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาเชิงตัวเลขของการไหลของเลือดผ่านหลอดเลือดสองมิติสมมาตรตามแกนด้วยกระบวนการไฟไนต์เอลิเมนต์ โดยแสดงผลในรูปของความเค้นเฉือนที่ผนังหลอดเลือดและการกระจายความเร็ว โดยสมมติให้หลอดเลือดเป็นรูปทรงกระบอกที่มีผนังเกร็ง และการไหลมี Re = 270 เริ่มจากการศึกษาหาแบบจาลองทางคณิตศาสตร์ที่เหมาะสมสาหรับการไหลของเลือด 3 แบบจาลอง ได้แก่ Newtonian, Carreau-Yasuda และ Casson แล้วจึงเปรียบเทียบกับผลการทดลองการไหลของเลือดจริงจากวรรณกรรมปริทรรศน์ พบว่าแบบจาลอง Casson ให้ผลใกล้เคียงกับผลการทดลองมากที่สุด จากนั้นพิจารณาการไหลผ่านหลอดเลือดตีบที่ระดับต่างๆ ตั้งแต่ 0 ถึง 80% แล้วรายงานผลการคานวณในรูปของความเค้นเฉือนที่ผนังและโปรไฟล์ความเร็วพบ Flow Separation เกิดขึ้นอย่างชัดเจนสาหรับระดับความตีบ 50% ขึ้นไป และสุดท้ายวิเคราะห์เพื่อหาความเค้นเฉือนที่ผนังจากการไหลของเลือดผ่านขดลวดที่ใช้รักษาอาการตีบของหลอดเลือดที่มีรูปร่างของหน้าตัดและระยะพิทช์ต่างๆ ซึ่งได้แก่ แบบสปริง แบบสปริงที่ลวดมีพื้นที่หน้าตัดเป็นครึ่งวงกลม แบบสี่เหลี่ยมผืนผ้า และ NIR® ซึ่งรูปร่างคล้ายปีกนก พบว่า แบบ NIR® ซึ่งมีระยะพิทช์ต่าที่สุดให้ค่าความเค้นเฉือนที่ผนังท่อสม่าเสมอที่สุด ในขณะที่ขดลวดที่มีระยะพิทช์สูง เช่น สปริงที่ลวดมีพื้นที่หน้าตัดเป็นครึ่งวงกลมและแบบสี่เหลี่ยมผืนผ้า ให้ค่าความเค้นเฉือนที่ผนังท่อไม่สม่าเสมออย่างเห็นได้ชัด ซึ่งอาจส่งผลต่อการกลับมาตีบของหลอดเลือดหลังการรักษาได้

        The present study aims to numerically investigate a blood flow through a two-dimensionally axi-symmetric vessel using a finite element method. Values of wall shear stress and velocity distributions are reported. An assumption of rigid wall with Reynolds number of 270 was made. Three mathematical models for blood flow were tested: Newtonian, Carreau-Yasuda and Casson, and their velocities were compared to those obtained from literature. The Casson model gave the closest results to the experimental ones. Next, levels of stenosis in the range of 0 to 80% were examined. Flow separation and back flow downstream of the stenosed site were found for the level of 50% or higher. Finally, flows through stented vessels with four different types of stents was carried out: spring with a circular cross section, spring with a semicircular cross section, slotted tube and NIR. The latter two stents have rectangular cross sections. Flow separation and back flow occurred downstream of each strut in all stents causing low wall shear stress, which could lead to restenosis.