Leitungsdesign mit expandierendem Durchmesser für verbesserten Durchfluss

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10201 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Leitungen werden üblicherweise zur Behandlung von Läsionen in Arterien und Venen verwendet. Die herkömmlichen Stents haben eine zylindrische Form, wodurch der Strömungswiderstand mit der Länge zunimmt. In dieser Studie wird ein Design von Stents und Leitungen vorgestellt, bei dem sich das Kaliber der Leitungen allmählich ausdehnt, um den Widerstand zu verringern und gleichzeitig eine Strömungstrennung zu vermeiden. Der Zufluss erfolgte von einem Sammelbehälter bei zwei unterschiedlichen Drücken (dh 10 und 25 mm Hg Druck) in eine zylindrische oder expandierende Leitung. Die anfänglichen Rohrkaliber waren jeweils 2, 3, 4 und 5 mm sowie Längen von 160, 310 und 620 mm. Die Durchflussraten von Kanälen mit expandierendem Kaliber (bei einer Rate von r4–6/cm, wobei r der anfängliche Kanalradius ist) wurden mit herkömmlichen zylindrischen Kanälen mit konstantem Radius verglichen. Das erweiterte Kaliber führt zu einem deutlich erhöhten Durchfluss von 16–55 % für die R4/L-Erweiterung, 9–44 % für die R5/L-Erweiterung und 1–28 % für die R6/L-Erweiterung. Zur Validierung und Erweiterung der experimentellen Ergebnisse wurden simulierte Strömungsmodelle mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) verwendet. Bei bestimmten Simulationen wurde eine Strömungsablösung durch Strömungspfadlinien und Wandschubspannungsberechnungen (WSS) festgestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Kaliberausdehnungsrate von r6/cm die optimale Ausdehnungsrate für die meisten potenziellen Anwendungen mit minimaler Strömungsablösung, geringerem Widerstand und erhöhtem Durchfluss ist.

Eine Leitung mit sich erweiterndem Durchmesser wird Diffusor genannt und dient dazu, den Druck eines kompressiblen Fluids (dh eines Gases) entlang der Länge des Diffusors zu erhöhen. Ein Diffusor wird zum Kondensieren von Gas in Strahltriebwerken, Turbotriebwerken und Luftpumpen verwendet, die in Anwendungen wie Düsen von Strahltriebwerken eine turbulente Strömung aufweisen1. Im menschlichen Körper haben die Venen ein sich ausdehnendes Kaliber, ähnlich einem Diffusor, der Blut (inkompressible Flüssigkeit) für eine andere Funktion leitet, nämlich um den Strömungswiderstand zu minimieren. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da die Venen das Ende des Kreislaufs darstellen, in dem der größte Teil der vom Herzen erzeugten Antriebsenergie verbraucht wurde. Die verbleibende Restenergie (< 5 %) sollte erhalten bleiben, um den Flusskreislauf zurück zum Herzen zu vervollständigen2,3. Ein Diffusor-Typ mit expandierendem Leitungsdesign kann dem traditionellen zylindrischen Design hinsichtlich der Funktionalität überlegen sein und einen besseren Durchfluss und einen geringeren Energieaufwand bei Poiseuille-Strömungen bieten.

Versuche, das grundlegende Leitungsdesign zu verbessern, um den Durchfluss zu steigern, waren überraschend spärlich, wenn man bedenkt, dass das traditionelle zylindrische Design mehrere Jahrtausende lang verwendet wurde. Zu den derzeit verfügbaren Methoden zur Erhöhung des Durchflusses gehören Druckerhöhungspumpen, Speichertanks (zusätzliche Energie) und Geräte wie Ventile und Ausgleichsbehälter zur Optimierung des Durchflusses und zur Unterdrückung von Transienten. Strategien wie Siphons und Bypässe wurden ebenfalls eingesetzt, um die Energieverschwendung aus der Strömungsumwandlung (Druckhöhe in Geschwindigkeit und umgekehrt) zu minimieren. Leitungen mit polierten Oberflächen minimieren Reibungsverluste; Ein glattes Profil ohne Biegungen, lokale Erweiterungen und Einschnürungen können geringfügige Verluste reduzieren4,5.

Hier wird ein neues Design mit einem sich allmählich erweiternden Kaliber vorgeschlagen, das eine erhebliche Reduzierung des Strömungswiderstands gegenüber dem zylindrischen Design zeigt. Die Strömungsverbesserung wird durch die Modulation des Kalibers mit einer Länge ermöglicht, so dass der Gesamtströmungswiderstand verringert wird. Die Herausforderung besteht darin, dass eine Vergrößerung des Kalibers zu einer Strömungsablösung führen kann. In verschiedenen Fluidsystemen kommt es zu Strömungsablösungen, die den Durchfluss behindern und die Geräteleistung beeinträchtigen.

Jüngste Fortschritte in der experimentellen und numerischen Strömungsmechanik haben zu einer besseren Aufklärung pathologischer Ereignisse an der Gefäßinnenwand (dh dem Endothel) geführt. Im Kern ist ein niedriger WSS, der hauptsächlich durch Strömungsablösung verursacht wird, ein gemeinsamer Nenner6. Diese Studien wurden durch dreidimensionale Rekonstruktion von Arteriensegmenten mit anschließenden numerischen Strömungssimulationsstudien durchgeführt. Computational Fluid Dynamics (CFD)-Methoden in Kombination mit dreidimensionalen Gefäßrekonstruktionen auf Basis medizinischer Bildgebung ermöglichen die Berechnung gewünschter hämodynamischer Parameter unter realistischen Randbedingungen mit hoher Auflösung6,7,8,9,10. Numerische Strömungssimulationen wurden verwendet, da genaue In-vivo-Messungen der Geschwindigkeitsprofile in den Arterien nicht möglich sind.

In der vorliegenden Studie wird ein neues Leitungsdesign mit erweitertem Durchmesser vorgeschlagen, das den Durchfluss bei minimaler Strömungstrennung verbessert. Dabei verwenden wir sowohl Prüfstandstests als auch CFD zur Charakterisierung des Leitungsflusses und optimieren das Gerät auf der Grundlage von WSS und Druckabfall. Ein Vergleich der Strömungsmuster, die mit dem neuen Design und dem herkömmlichen zylindrischen Rohr erzielt wurden, wird in einem Tischmodell und einer CFD-Simulation berichtet. Die CFD hat mögliche Bereiche der Strömungsablösung in einigen Dimensionen des sich allmählich ausdehnenden Profils vorhergesagt, die durch die richtige Konstruktion vermieden werden können. Es können vorteilhafte Profile mit verbesserten Strömungen im Vergleich zum herkömmlichen zylindrischen Design identifiziert werden.

Dieses neuartige Design könnte in der Medizin Anwendung finden, wo prothetische Leitungen zur Übertragung von Strömen mit geringem Volumen/Geschwindigkeit verwendet werden, die aufgrund spezifischer anatomischer Lagen oder Krankheiten auftreten. Es gibt zahlreiche potenzielle Anwendungen für das Design in technischen Produkten, bei denen Leitungen zum Transport verschiedener Flüssigkeiten wie Kraftstoff, Schmiermittel, Kühlmittel usw. verwendet werden. Abflüsse mit dem neuen Design sind möglicherweise effizienter und verstopfen weniger.

Die Poiseuille-Gleichung drückt die laminare Strömung aus:

Der Durchfluss für einen gegebenen Druckgradienten wird durch drei Koeffizienten bestimmt – die sogenannten numerischen, geometrischen und Viskositätsfaktoren. Der numerische Faktor ist konstant und die Viskosität ist auch eine Konstante für eine Newtonsche Flüssigkeit (in den Experimenten verwendete Kochsalzlösung). Der geometrische Faktor ist die Variable (Widerstand), die die Strömung bei laminarer Strömung reguliert. Der geometrische Faktor ist bemerkenswert, weil er in der vierten Potenz als Zähler erscheint. Die Länge der Leitung ist in der ersten Potenz im Nenner von geringerer Bedeutung. Der Durchfluss in herkömmlichen zylindrischen Leitungen nimmt mit zunehmender Länge aufgrund eines linearen additiven Anstiegs des Strömungswiderstands allmählich ab. Wir stellten die Hypothese auf, dass der lineare Anstieg des Widerstands aufgrund seines höheren Krafteffekts durch einen relativ geringeren Anstieg des Radius ausgeglichen werden könnte. Der ideale Versatz besteht darin, den Radius pro aufeinanderfolgender Länge von 1 cm zu vergrößern, sodass r4/l konstant und gleich dem ersten cm der Leitung bleibt. Ein expandierendes Rohr weist über seine Länge ein sich allmählich ausdehnendes Profil auf. Bei einer Ausdehnungsrate von r4/cm verdoppelt sich der Radius bei einer Länge von 16 cm. Eine praktischere Formulierung besteht darin, r5/l oder sogar r6/l über die Länge der Leitung konstant zu halten, was zu einer allmählicheren Ausdehnung der Leitung führt, als r4/l konstant zu halten. Dies führt zu längeren Rohrlängen, bevor sich der Radius verdoppelt (siehe Tabelle 1). Die Strömungsleitungsleistung ist geringer als bei der konstanten r4/l-Formulierung, aber immer noch besser als bei einem gleichmäßigen Zylinder, und die Strömungstrennung kann auch weniger ausgeprägt sein. Für bestimmte Anwendungen können längere Leitungen erforderlich sein. Beachten Sie, dass die Geschwindigkeit der Leitungsausdehnung bei R5 und R6 kontraintuitiv zu einer allmählicheren Ausdehnungsgeschwindigkeit führt als bei R4 (Tabelle 2). Dies liegt daran, dass die inkrementelle Leitungslänge (L) im Vergleich zu R4 auf größere Zahlen verteilt ist, die R5 und R6 zugeordnet sind. Die vorliegenden CFD-Simulationen beschränken sich auf stationäre, geradlinige, nicht pulsierende Strömungen. Die Formulierung der Feldgleichungen für die CFD-Simulationen ist im „Anhang“ beschrieben.

Die Leitungsentwürfe wurden mit technischer Software (Autodesk, Inc.; San Rafael, CA) entworfen und in einem kommerziellen 3D-Drucker (Stratasys; Eden Prairie, MN) hergestellt.

Das grundlegende Strömungsmodell bestand aus einem Sammelbehälter, dessen Abfluss durch ein kalibriertes Kugelventil gesteuert wurde (Abb. 1). Der Kugelhahn wurde bei allen Durchflüssen auf der gleichen Einstellung geöffnet gehalten. Die verschiedenen Leitungen wurden an den Kugelhahn angeschlossen. Der Leitungsausfluss war zur Atmosphäre hin offen (offenes System) und konnte zur zeitgesteuerten Messung (cm³/min) in einen Messzylinder abfließen. In einigen Experimenten wurde ein teilweise geschlossenes Abflusssystem verwendet: Die Leitungen wurden mit einem kurzen Penrose-Abfluss (Durchmesser = 3,5 cm; Länge = 13 cm) verbunden, der unterhalb des Flüssigkeitsspiegels in eine flache Wanne entleerte, bevor er in den Ausgangszylinder entleerte (Abb. 1, Option D). Das System verhinderte das Eindringen von Luft in die Leitung und verhinderte möglicherweise die Strömungsablösung. Das System wurde mit einer 2:3-Mischung aus Glycerin und Wasser mit einer Viskosität von 0,004 kg/m/s gefüllt. Jede Durchflussmessung umfasst durchschnittlich 5 „Durchläufe“.

Grundlegendes Leitungsströmungsmodell. (a) Mit dem Sammeltank wurden Vordrücke von 10 und 25 mm Hg erzeugt. (b) Die verschiedenen Leitungen wurden in das grundlegende Leitungsströmungsmodell eingefügt. (c) Das in 1 Minute in den Entladetank freigesetzte Volumen wurde zur Berechnung der Durchflussrate jeder Leitung verwendet. (d) In einigen Experimenten wurde ein teilweise geschlossenes Entwässerungssystem oder eine Penrose-„Luftfalle“ verwendet.

Die Strömungsleitung wurde basierend auf CFD unter Verwendung eines Newtonschen Einphasen-3D-Modells simuliert (siehe „Anhang“). Die einphasige 3-D-Eulersche Gleichung unter Verwendung eines laminaren viskosen Modells wurde mit ANSYS Fluent 21.0 (Ansys Inc; Canonsburg, PA) gelöst. Die Blutviskosität (0,004 kg/m/s) wird als Newtonsches Modell11 definiert. Es wurde eine Mischungsdichte für Blut von 1040 kg/m3 verwendet. Geometrien für jeden CFD-Lauf zur Simulation von Leitungen im experimentellen Modell wurden aus Design Modeler 21.0 abgeleitet. Mesh ANSYS 21.0 wurde verwendet, um unstrukturierte Zellnetze für die Geometrien zu generieren, und eine Netzempfindlichkeitsanalyse ermittelte eine optimale Knotenanzahl für die Volumenflussrate. Die Analyse der Strömungsablösung basierte auf modellabgeleiteten Pfadlinien und berechneten Schwellenwerten unter Verwendung von WSS und Druck. Die Einlass-Randbedingung war ein konstanter Druck, wie in Tabelle 3 dargestellt. Die Auslass-Randbedingung war ein Auslassdruck. Das Modell wurde durch den Vergleich der berechneten und experimentellen Volumenstromrate validiert (Abb. 2).

Vergleich der Durchflussraten zwischen Experimenten und Simulationen zur Modellvalidierung mit Eingangsdrücken (a) 10 mmHg und (b) 25 mmHg. CFD-Strömungen sind nahezu identisch mit den mittleren Strömungen, die im mechanischen Bankmodell erhalten werden.

Es wurde ein kommerzielles Softwarepaket verwendet (GraphPad Prism, San Diego; CA.). Chi-Quadrat-, gepaarte und ungepaarte zweiseitige t-Tests wurden je nach Bedarf zum Vergleich der Flüsse verwendet. Ein p-Wert < 0,05 wurde als signifikant angesehen.

Die Durchflussraten im Prüfstand von Rohren mit expandierendem Kaliber (r4 bis 6) im Vergleich zu herkömmlichen zylindrischen Rohren sind in Tabelle 3 aufgeführt. Bei einigen Versuchen wurde beobachtet, dass der Ausflussstrom von einem Teil des Rohrauslassumfangs getrennt war, was auf eine Strömungstrennung hindeutet von der Wand. Dieses Problem wurde durch die Verwendung der Penrose-Luftfalle verringert (Tabelle 4). Insgesamt ergibt das erweiterte Kaliber einen deutlich höheren Durchfluss, der zwischen 16 und 55 % für die R4/L-Erweiterung, 9–44 % für die R5/L-Erweiterung und 1–28 % für die R6/L-Erweiterung liegt.

Da die Wandströmungsablösung im Versuchsaufbau möglicherweise schwer zu visualisieren ist, haben wir CFD verwendet, um alle im Bankmodell durchgeführten Fälle zu simulieren (Abb. 3a, b). Die CFD-Simulation wurde validiert, indem der experimentell gemessene mittlere Leitungsfluss mit CFD-Simulationsläufen verglichen wurde (Abb. 2a, b); Versuchs- und Simulationsabläufe waren nahezu identisch. Die CFD-Verteilungen des WSS für die Simulationen sind in Tabelle 5 dargestellt, in der die vollständig getrennten Strömungsfälle mit roter Farbe und die nicht signifikanten Strömungsablösungsfälle mit blauer Farbe angezeigt werden. Bei den meisten Durchmesser-/Längenkombinationen scheint eine Expansionsrate von r6/cm den kohärentesten Fluss zu ergeben. Für Leitungen mit kleinem Durchmesser ist möglicherweise eine größere Ausdehnungsrate von r4/cm möglich. Abbildung 3 zeigt blau markierte Bereiche mit sehr niedrigem WSS, die den Strömungsablösungsregionen entsprechen. Die Farbskala zwischen 0 und 5 Pa wurde ausgewählt, um die Regionen mit sehr niedrigem WSS hervorzuheben.

(a) Geschwindigkeitspfadlinien (m/s) für R4-Ausdehnungsrohr im Vergleich zum Zylinder mit gegebenem Radius (Ri); und gleicher Eingangsdruck von 25 mmHg. Zum Vergleich ist für jede Simulation die flächendurchschnittliche Wandschubspannung (WSS) aufgeführt. (b) Probenflusspfade zur Visualisierung der Sekundärströmung (B) zur Erkennung von Strömungsablösung. Wenn der Sekundärstrom größer oder gleich 33 % des Auslassradius ist und die flächengemittelte WSS-Reduktion (A) etwa 70 % beträgt, ist der Strom vollständig getrennt.

Die Ergebnisse zeigen, dass es in Regionen mit niedrigem WSS und hohem Druckabfall zu Strömungsablösungen kommt. Abbildung 3a zeigt die Geschwindigkeitspfadzonen mit normaler Strömung und sekundärer Strömung, die in Abb. 3b zu sehen sind. Basierend auf der Analyse ist der Fluss vollständig getrennt, wenn der Sekundärstrom (B) größer oder gleich 33 % des Auslassradius ist und die WSS-Reduktion etwa 70 % beträgt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Expansionsrate mit R4/cm die Strömungsablösung für Leitungen mit 4 und 5 mm Anfangsradius erhöhte. R6/cm ist eine bessere Ausdehnungsrate für kleine Leitungen mit einem anfänglichen Radius von 2 und 3 mm. Darüber hinaus erhöhte die Erhöhung der Druckrandbedingung die mögliche Strömungsablösung. Die Ergebnisse zeigten auch, dass Druckabfall und WSS in einem umgekehrten Verhältnis zueinander stehen. Die Fälle mit der vollständig getrennten Strömung weisen einen hohen Druckabfall auf, während der WSS deutlich reduziert wurde.

Das traditionelle Design von Leitungen in der Medizin und Technik besteht aus Zylindern mit konstantem Kaliber. Es wird eine grundlegende Designänderung vorgeschlagen, bei der sich das Kaliber mit der Länge allmählich ausdehnt. Ein solches Profil zeigt in einem mechanischen Bankmodell eine größere Strömung bei geringerem Widerstand und wird durch CFD validiert. Eine Rohrausdehnungsrate, bei der r4/cm konstant bleibt, ist das theoretische Optimum, aber das Kaliber verdoppelt sich bei einer Rohrlänge von 16 cm. Dies kann für bestimmte medizinische Anwendungen praktisch sein, beispielsweise für kurze prothetische Transplantate. Eine allmählichere Expansionsrate von r5/cm oder sogar r6/cm führt zu nützlicheren Leitungen mit längerer Länge, bevor sich der Durchmesser verdoppelt. Obwohl sie etwas weniger effizient als die r4/cm-Erweiterung sind, sind sie herkömmlichen zylindrischen Leitungen immer noch überlegen. Diese sind möglicherweise besser für technische Anwendungen geeignet.

Die Neigung der Ausdehnung bestimmt die Neigung zur Strömungsablösung, was im Hinblick auf die Strömungsoptimierung kontraproduktiv ist (dh die Dissipation und den Strömungswiderstand erhöht); Das heißt, eine zu abrupte Ausdehnung führt trotz des vergrößerten Durchmessers zu einer Ablösung der Strömung und einem erhöhten Strömungswiderstand. Daher besteht ein Kompromiss zwischen der Geschwindigkeit der Erweiterung des Leitungsdurchmessers und der Verhinderung einer Strömungsablösung, wie in dieser Studie gezeigt wurde. Komplexere Leitungsdesigns können Elemente mit ausgedehnter Länge umfassen, gefolgt von zylindrischen oder konvergierenden Elementen, um den Fluss wieder zu verbinden. Es ist bekannt, dass eine Eintrittslänge (dh der Abstand, über den die Geschwindigkeit vom stumpfen oder gleichmäßigen zum parabolischen laminaren Profil umverteilt wird) proportional zur Reynoldszahl ist. Basierend auf diesen Konstruktionsprinzipien können verschiedene Leitungen auf der Grundlage von Maßangaben entworfen und in Labor- und CFD-Simulationen getestet werden, um die gewünschten Leitungen mit hohem Durchfluss zu erhalten.

Die additive Fertigung (3-D) erleichtert die Herstellung von Transplantaten und Leitungen mit expandierendem Kaliber für biologische oder mechanische Zwecke erheblich. Aktuelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass bei Leitungsdesigns bei konstantem r4/L bis zu ≈16 cm möglich sind. Bei Leitungen mit konstantem r5/L scheinen Längen bis zu 64 cm möglich. Einige potenzielle Anwendungen für das neue Design mit expandierendem Durchmesser in der Medizin und Technik werden im Folgenden kurz besprochen.

Seit Jahrhunderten werden prothetische Drainagen zur Ableitung von Blut- oder Serumansammlungen nach einer Operation verwendet. Frühe Modelle bestanden aus Gummi, während in jüngerer Zeit Prothesenkanäle aus Silikon oder Polymer zum Ableiten verschiedener Körperflüssigkeiten verwendet wurden. Die Drainagen werden für Liquor, Aszites oder Pleuraergüsse in benachbarte Körperhöhlen oder den Vorhof zur Absorption verwendet (z. B. Denver-Shunt, LeVeen-Shunt). Dabei handelt es sich um Niederdrucksysteme (≤ 10 mm Hg) mit geringer Strömungsgeschwindigkeit. Es ist schwierig, die Abflussleitungen durchgängig und funktionsfähig zu halten. Vakuumunterstützung am stromabwärtigen Ende der Leitung (abgestufte „Unterwasser“-Saugkammer oder Entwässerungskammer mit komprimiertem Balg) wird häufig verwendet, wenn die Entwässerung nach außen erfolgt. Eine solche Vakuumunterstützung kann kontraproduktiv sein, da Gewebe oder geronnene Ablagerungen angesaugt werden und den Abfluss verstopfen. Für die interne Entwässerung wird manchmal eine manuell komprimierbare Inline-Pumpe bereitgestellt (z. B. Denver-Shunt). Diese Systeme funktionieren möglicherweise besser, wenn der Leitungswiderstand verringert werden kann.

Prothetische Leitungen und Stents aus Silikon oder Polymer werden üblicherweise zur Behandlung von Strikturen im Magen-Darm-System (z. B. Speiseröhre, Gallenwege usw.) und den Harnwegen verwendet. Bei den Gallen- und Ureterstents handelt es sich typischerweise um kleinkalibrige Kanäle, die anfällig für Verstopfungen und daraus resultierende Infektionen sind. Mit dem Design mit erweitertem Durchmesser ist möglicherweise eine bessere Funktionalität möglich. Metallstents werden an den unterschiedlichsten Stellen eingesetzt. Es wurden Versuche unternommen, die hämodynamische Leistung von Gefäßstents durch gezieltes Stentstrebendesign zu verbessern12. Das Design mit dem sich erweiternden Durchmesser ist möglicherweise an Stellen nicht geeignet, an denen das erweiterte Ende zu einer Größendifferenz zur ursprünglichen Gefäßgröße führen kann. Bei Venen, bei denen die natürliche Skalierung eine Größenzunahme entlang der Fließrichtung darstellt, ist diese Größenungleichheit weniger problematisch. Außerdem werden venöse Stents schnell von faserigem Gewebe bedeckt, wenn das Strebendesign keinen Einfluss mehr auf die Strömung hat13,14. Der abgedeckte Stent dient als Gerüst für die Umgestaltung der gestenteten Vene. Eine gute Anbringung des Stents an der Struktur/dem Gefäß mit Stent kann durch eine Vielzahl von Techniken wie Ballondilatation vor und nach dem Einsetzen des Stents erreicht werden, insbesondere wenn die natürliche Struktur/das natürliche Gefäß ausreichend nachgiebig ist, um das Design des selbstexpandierenden Stents aufzunehmen.

Synthetische Transplantate funktionieren im Arteriensystem aufgrund des hohen Eingangsdrucks (≈ 100 mm Hg) gut. Transplantate im Venensystem sind anfällig für Thrombosen, da der Eingangsdruck viel geringer ist (≈ 25 mm Hg)15. Um die Durchgängigkeit aufrechtzuerhalten, wird häufig eine zusätzliche arteriovenöse Fistel angelegt, um einen großen Volumenstrom zu gewährleisten. Ein synthetisches Transplantat mit expandierendem Profil kann die Durchgängigkeit verbessern.

Ein unzureichender Fluss für eine angemessene Dialyse ist ein häufiges Problem bei älteren Dialysetransplantaten. Prothetische Transplantate mit geringem Durchfluss führen zu einer ineffizienten Dialyse und bergen das Risiko einer Thrombose16. In der klinischen Praxis wird üblicherweise ein Dialysetransplantat mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 25 cm verwendet. Eine Leitung mit 6 mm Durchmesser und 31 cm Länge ergibt im Prüfstand 294 und 401 cm³/min (10 und 25 mm Hg Eingangsdruck). Im Vergleich dazu führen die expandierenden Konfigurationen zu einer Erhöhung des Durchflusses um bis zu 55 % bzw. 42 % bei einem Eingangsdruck von 10 bzw. 25 mmHg. Die quantitativen Flüsse bei Patienten können aufgrund höherer Eingangsdrücke unterschiedlich sein. Während eine quantitative Vervielfältigung klinischer Flüsse im Prüfstand nicht angeboten wird, ist der relative Flussvorteil im getesteten Bereich ein nützlicher Indikator.

Leitungen sind das zirkulierende System der modernen Industrie, das Motoren, Maschinen, Elektronik und sich entwickelnde „grüne“ Systeme auf Batteriebasis umfasst. Diese Leitungen transportieren Flüssigkeiten aller Art: Kraftstoff, Kühlmittel, Schmiermittel, Hydraulikflüssigkeiten usw. Die Leitung mit erweiterter Konfiguration kann bei diesen Anwendungen, bei denen sich die Flüssigkeit/Flüssigkeit gemäß der Poiseuille-Flussgleichung verhält, effizienter sein als die herkömmliche zylindrische Konstruktion. Diese industriellen Anwendungen haben einen Vorteil gegenüber humanbiologischen Leitungen. Es besteht eine größere Flexibilität bei der Gestaltung einer angemessenen Leistungsaufnahme zur Aufrechterhaltung des Durchflusses. Das Grundkaliber/die Grundlänge der Leitung kann für optimale Leistung ohne Turbulenzen ausgelegt werden. Möglicherweise ist ein teilweise geschlossenes Strömungssystem wie das im Strömungsmodell verwendete erforderlich, um eine Strömungsablösung in der Leitung zu verhindern. Bei mechanischen Systemen ist die Möglichkeit, Eingangsdruck, Basiskaliber und Länge an den Durchflussbedarf anzupassen, ein Vorteil gegenüber biologischen Anwendungen. Die CFD-Methode ist ein leistungsstarkes Werkzeug zum Entwerfen anwendungsspezifischer Leitungen, die im Vergleich zum herkömmlichen zylindrischen Design einen verbesserten Durchfluss bieten.

Es wird ein neuartiger Kanal mit erweitertem Profil beschrieben, dessen Durchmesser sich langsam ausdehnt, um den Strömungswiderstand auszugleichen, der linear mit der Länge des Kanals zunimmt. Dies basiert auf dem Poiseuille-Gesetz, bei dem der Radius als Zähler in der vierten Potenz in die Strömungsgleichung eingeht, während die Länge in der ersten Potenz auf der Nennerseite steht. Daher ist die Vergrößerung des Durchmessers zum Ausgleich des zunehmenden Strömungswiderstands mit der Länge um eine Größenordnung kleiner. Das Design mit erweitertem Durchmesser bietet einen besseren Durchfluss als das herkömmliche zylindrische Design, indem der Gesamtströmungswiderstand verringert wird. Dies kann in mechanischen Strömungssystemen und CFD demonstriert werden. Das neue Design spart Energie und bietet ein breites Anwendungsgebiet in der Medizin und Technik, wo eine nicht turbulente Leitungsströmung auftritt. CFD ist ein leistungsstarkes Werkzeug zum Entwerfen von Leitungen entsprechend individuellen Spezifikationen.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Xu, L., Yue, H., Can, R., Peiyong, W. & Fei, X. Untersuchung der Optimierung des Dump-Diffusors für Gasturbinenbrennkammern. Procedia Eng. 99, 828–834 (2015).

Artikel Google Scholar

Burton, AC Physiologie und Biophysik des Kreislaufs; Ein Einführungstext, 2. Aufl. (Year Book Medical Publishers, 1972).

Google Scholar

Zamir, M. Optimalitätsprinzipien in der arteriellen Verzweigung. J. Theor. Biol. 62, 227–251 (1976).

Artikel CAS PubMed ADS Google Scholar

Larock, BE, Jeppson, RW & Watters, GZ Hydraulics of Pipeline Systems (CRC Press, 2000).

Google Scholar

Glasgow, D., Asano, T., Chase, D., Koplowitz, S., Kuhn, P. & Loveland, J. Entwurf und Bau von Schwerkraft-Sanitärkanälen. In ASCE-Handbüchern und Berichten zur Ingenieurpraxis. Nr. 60 (1982).

Hashemi, J., Patel, B., Chatzizisis, YS & Kassab, GS Untersuchung der koronaren Atherosklerose anhand der Blutverweilzeit. Vorderseite. Physiol. 12, 625420 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Antoniadis, AP et al. Biomechanische Modellierung zur Verbesserung des Bifurkationsstentings der Koronararterien: Expertenbericht zu Techniken und klinischer Umsetzung. JACC Cardiovasc. Interv. 8(10), 1281–1296 (2015).

Artikel PubMed Google Scholar

Chen, HY, Chatzizisis, YS, Louvard, Y. & Kassab, GS Computersimulationen der provisorischen Stentimplantation eines erkrankten Koronararteriengabelungsmodells. Wissenschaft. Rep. 10(1), 9667 (2020).

Artikel PubMed PubMed Central ADS Google Scholar

Genuardi, L. et al. Lokale Fluiddynamik bei Patienten mit gegabelten Koronarläsionen, die sich perkutanen Koronarinterventionen unterziehen. Cardiol. J. 28(2), 321–329 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Huo, Y., Svendsen, M., Choy, JS, Zhang, ZD & Kassab, GS Ein validiertes Vorhersagemodell der koronaren fraktionierten Flussreserve. JR Soc. Schnittstelle 9(71), 1325–1338 (2012).

Artikel PubMed Google Scholar

Arzani, A. Berücksichtigung der Verweilzeit in Blutrheologiemodellen: Brauchen wir wirklich eine nicht-Newtonsche Blutflussmodellierung in großen Arterien? JR Soc. Schnittstelle 15, 146 (2018).

Artikel Google Scholar

Jiménez, JMDP Hämodynamisch gesteuertes Stentstrebendesign. Ann. Biomed. Ing. 37, 1483–1494 (2009).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Rathore, A., Gloviczki, P. & Bjarnason, H. Offene chirurgische Entfernung von Wallstents der Beckenvene mit Entfernung der Pseudointima, die die kontralaterale Beckenvene verstopft. J. Vasc. Surg. Venöses Lymphat. Unordnung. 4(4), 525–529 (2016).

Artikel PubMed Google Scholar

Raju, S., Knight, A., Buck, W., May, C. & Jayaraj, A. Kaliber-gezielte reinterventionelle Überdilatation von Wallstents der Beckenvene. J. Vasc. Surg. Venöses Lymphat. Unordnung. 7(2), 184–194 (2019).

Artikel PubMed Google Scholar

Raju, S. Neue Ansätze zur Diagnose und Behandlung venöser Obstruktion. J. Vasc. Surg. 4(1), 42–54 (1986).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Raju, S. PTFE-Transplantate für den Zugang zur Hämodialyse. Techniken zur Einfügung und Behandlung von Komplikationen. Ann. Surg. 206(5), 666–673 (1987).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

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California Medical Innovation Institute, San Diego, Kalifornien, USA

Javad Hashemi & Ghassan S. Kassab

Das RANE Center, 971 Lakeland Drive, Suite 401, Jackson, MS, 39216, USA

Hunter Peeples, Riley Kuykendall und Seshadri Raju

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SR und GK trugen zum Konzept und Design dieser Studie, zum Verfassen des Manuskripts und zur kritischen Überarbeitung des Manuskripts bei. JH, HP, RK trugen zur Datenerfassung und Datenanalyse bei. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Seshadri Raju.

IVUS (diagnostisch) – US-Patent, S. Raju; Venöses Stent-Design – US-Patent, S. Raju; US-Patent angemeldet, neues Leitungsdesign. G. Kassab und S. Raju.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Computational Fluid Dynamics (CFD) löst maßgebliche Erhaltungsgleichungen, die vom einzelnen System abhängen. Die Energieerhaltungsgleichung kann zusätzlich zu den Erhaltungsgleichungen für Masse und Impuls einbezogen werden. Die Kontinuität wird für die Erhaltungsgleichung der Masse beschrieben durch:

Dabei ist ρ die Dichte, v die Geschwindigkeit und Sm ein Quellterm. Die Impulserhaltungsgleichung ist gegeben durch:

Der viskose Impulsflusstensor τ stellt die Scherspannung dar und ist gegeben durch:

Unter der Annahme einer konstanten Viskosität (für die in den Experimenten verwendete Kochsalzlösung) und Flüssigkeitsdichte ergibt die Substitution von τ in der Erhaltungsgleichung von Impuls und Anpassung die Navier-Stokes-Gleichung:

CFD bietet eine Lösung für die Massenerhaltungs- und Navier-Stokes-Gleichungen, indem die kontinuierlichen Variablen in den partiellen Differentialen mithilfe diskreter Analoga angenähert werden und ein geometrisches Netz oder ein diskretisierter Gitterbereich verwendet wird. Für CFD werden Flussvariablen an jedem Punkt der Domäne für kontinuierliche Domänen definiert. Eine genaue Lösung kann erhalten werden, wenn jeder Knoten vorhersehbar mit benachbarten Knoten interagiert. Diskretisierte Ergebnisse nähern sich analytischen Ergebnissen an, wenn die Gitterauflösung (d. h. die Maschenzahl) ausreichend ist.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hashemi, J., Peeples, H., Kuykendall, R. et al. Leitungsdesign mit expandierendem Durchmesser für verbesserten Durchfluss. Sci Rep 13, 10201 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36165-6

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Eingegangen: 06. Januar 2023

Angenommen: 30. Mai 2023

Veröffentlicht: 23. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36165-6

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