In this paper, fluttering behavior of mechanical bileaflet heart valve prosthesis was analyzed taking into consideration of the impact between valve plate and stopper Vibration system of the valve was modeled as a rotating system, and equations are induced by moment equilibrium equations. Lift force, drag force, gravity and buoyancy were considered as external forces acting on the valve plate/ The 4th order Runge-Kutta method was used to solve the equations. Valve plate does not come to the static equilibrium position at a stretch, but come to that position after under damping vibration. Damping ratio increases as the cardiac optput increases, and the mean damping ratio is in the range of 0.16~40.25. Fluttering frequency does not have any specific value, but varies as a function of time. It is in the range of 10~40Hz. Valve opening appears to be affected by the orientation of the of the valve relative to gravitational forces.
Bileaflet mechanical valves have the complications such as hemolysis and thromboembolism, leaflet damage, and leaflet break. These complications are related with the fluid velocity and shear stress characteristics of mechanical heart valves. The first aim of the current study is to introduce fluid-structure interaction method for calculation of unsteady and three-dimensional blood flow through bileaflet valve and leaflet behavior interacted with its flow, and to overcome the shortness of the previous studies, where the leaflet motion has been ignored or simplified, by using FSI method. A finite volume computational fluid dynamics code and a finite element structure dynamics code have been used concurrently to solve the flow and structure equations, respectively, to investigate the interaction between the blood flow and leaflet. As a result, it is observed that the leaflet is closing very slowly at the first stage of processing but it goes too fast at the last stage. And the results noted that the low pressure is formed behind leaflet to make the cavitation because of closing velocity three times faster than opening velocity. Also it is observed some fluttering phenomenon when the leaflet is completely opened. And the rebounce phenomenon due to the sudden pressure change of before and after the leaflet just before closing completely. The some of time-delay is presented between the inversion point of ventricle and aorta pressure and closing point of leaflet. The shear stress is bigger and the time of exposure is longer when the flow rate is maximum. So it is concluded that the distribution of shear stress at complete opening stage has big effect on the blood damage, and that the low-pressure region appeared behind leaflet at complete closing stage has also effect on the blood damage.
Until March 1991, 435 St. Jude Medical valves and 330 CarboMedics valves were implanted in 358 and 251 patients, respectively. 300 patients were male and 309 were female with the mean age of 35.6 years[from 2 month to 68 years]. 458 valves were implanted in the mitral, 272 in the aortic, 25 in the tricuspid, and 10 in the pulmonic position. Postoperatively, all patients except for very young patients were given coumadin with or without dipyridamole for anticogulation Operative mortality was 7.3%[45 deaths per 618 operations]. A total follow-up of 1244.8 patient-years was achieved for the operative survivors with a follow-up rate of 96.8%, [mean follow-up period=26.3 months /patient, ranging from 1 to 80 months]. Functional improvement was evident; 66.7% of these patients were in NYHA functional class III or IV preopratively, whereas 98.4% are in class I or II pos-toperatively. There occurred 13 late deaths[7 valve-related] and 55 valve-related complications. Linearized rates of late death and valve-related complications were 1.0%/ patient-year, 4.42%/patient-year, respectively. Rates of thromboembolism, anticoagluation-related hemorrhage were 1.12%/patient-year, 1.69% /patient-year, respectively. Actuarial survival at 5 years is 96.0% and complication-free survival at 5 years is 83.9%. No difference in survival and incidence of complications was found between the St. Jude and CarboMedics valves. On the basis of this experience, we believe that the pyrolytic carbon bileaflet mechanical valves are safe and preferable choice among current valve prostheses.
Interaction of blood flow and leaflet behavior in a bileaflet mechanical heart valve was investigated using computational analysis. Blood flows of a Newtonian fluid and a non-Newtonian fluid with Carreau model were modeled as pulsatile, laminar, and incompressible. A finite volume computational fluid dynamics code and a finite element structure dynamics code were used concurrently to solve the flow and structure equations, respectively, where the two equations were strongly coupled. Physiologic ventricular and aortic pressure waveforms were used as flow boundary conditions. Flow fields, leaflet behaviors, and shear stresses with time were obtained for Newtonian and non-Newtonian fluid cases. At the fully opened phase three jets through the leaflets were found and large vortices were present in the sinus area. At the very final stage of the closing phase, the angular velocity of the leaflet was enormously large. Large shear stress was found on leaflet tips and in the orifice region between two leaflets at the final stage of closing phase. This method using fluid-structure interaction turned out to be a useful tool to analyze the different designs of existing and future bileaflet valves.
In order to use a low cost polymer valve in our total artificial heart and ventricular assist device, we have developed a slit-type bileaflet polymer valve[BPV 1. The aim of this study is to determine the hydrodynamic effectiveness of the newly-designed BPV and its feasibility for temporary use in the blood pumps. For hydrodynamic comparison, we investigated in-vitro the pressure drop across the valve, the leakage volume, the flow rate and the flow pattern of the BPV, two mechanical valves and a trileaflet polymer valve. We employed the ventriculo-pulmonary bypassing method for in-vivo tests of the BPV's together vilh our electrohydraulic left venIn ricular assist device in mongrel dogs. The BPV showed adquate gydrodynamic performances and in the preliminary animal bests, there was no xvi dence of thrombus formation on the valve leaflets and around the struts. Detailed results obtained from the animal tests will be separately reported. This report involves the design criteria, fabrication and hydrodynamic charateristics of she BPV, and the basic merits and demerits of the valve are dis- cussed from the hydrodynamic point of view.
The left ventricular filling flow is now considered as an indicator which can be used for early diagnosing of cardiovascular diseases. Because the understanding of left ventricular flow physics is critical for this purpose, the downstream flow characteristics of the artificial heart valve are investigated using particle image velocimetry (PIV) method. In this study, we investigated the wake characteristics of flows passing through three different artificial valves (St.Jude medical bileaflet mechanical valve. Bjork-Shiley monostrut mechanical valve and St.Jude medical Biocor bio valve). The downstream flow field has remarkably altered according to the different valves. SJM MHV has the flow field similar to the pulsating circular jet and BS MHV has oblique pulsating jet. SJM BHV shows the similar flow field of clinical data of normal heart.
The Hydrodynamic performance of the trileaflet polymer prosthetic valves depends on the design of the leaflet and the physical properties of the leaflet membrane. In order to study the effect of leaflet membrane elasticity on the hemodynamic performance of trileaflet prosthetic valve, leaflet membranes are manufactured using two different polymers - Biospan and Tecoflex SG-93A. The hemodynamic performance parameters are measured under steady and physiological pulsatile flow, and compared with monoleaflet polymer valve(floating valve) and bileaflet mechanical valve(St. Jude Medical valve). Well designed trileaflet valve shows the lowest mean pressure drop among the tested valves. The trileaflet valves with Biospan membrane show lower pressure drop and back low comparing to those with Tecoflex membrane. More elastic membrane may provide wide opening area during systole and close membrane ree edge contact during diastole. Durability of trileaflet valves are also tested in vitro. Trileaflet valves with non-uniform membrane thickness ail within 17 days because of stress concentration. Trileaflet polymer valves with uniform membrane thickness perform well over 55 days without failure.
Park, Choeng-Ryul;Kim, Chang-Nyung;Kwon, Young-Joo;Lee, Jae-Won
Journal of Mechanical Science and Technology
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제17권7호
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pp.1073-1082
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2003
Many researchers have investigated the blood flow characteristics through bileaflet mechanical heart valves using computational fluid dynamics (CFD) models. Their numerical approach methods can be classified into three types; steady flow analysis, pulsatile flow analysis with fixed leaflets, and pulsatile flow analysis with moving leaflets. The first and second methods have been generally employed for two-dimensional and three-dimensional calculations. The pulsatile flow analysis interacted with moving leaflets has been recently introduced and tried only in two-dimensional analysis because this approach method has difficulty in considering simultaneously two physics of blood flow and leaflet behavior interacted with blood flow. In this publication, numerical calculation for pulsatile flow with moving leaflets using a fluid-structure interaction method has been performed in a three-dimensional geometry. Also, pulsatile flow with fixed leaflets has been analyzed for comparison with the case with moving leaflets. The calculated results using the fluid-structure interaction model have shown good agreements with results visualized by previous experiments. In peak systole. calculations with the two approach methods have predicted similar flow fields. However, the model with fixed leaflets has not been able to predict the flow fields during opening and closing phases. Therefore, the model with moving leaflets is rigorously required for advanced analysis of flow fields.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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