The objective of this investigation is to find effects of the pulsatile flow on the morphological changes of the endothelial cell(E.C.) in blood vessel. The shear flow experiment system is used to get the morphological changes of the E.C. The shapes of E.C. are simulated by the cosine curves and computer simulation is used to calculate the pressure and shear stress fields on the E.C. The inlet boundary condition is given from the measured velocity data of femoral artery. The endothelial cells reduce their heights in the flow field so as to reduce the pressure and wall shear stress on the surface. As the exposed time increases, the shear stress and pressure on the E.C. are reduced under the pulsatile flow. The shear stresses on the cell surface show the minimum values during the deceleration phase.
International Journal of Vascular Biomedical Engineering
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제2권2호
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pp.27-32
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2004
The objective of the present study is to visualize the steady and pulsatile flow fields in a branching model by using a high-resolution PIV system. A bifurcated flow system was built for the experiments in the steady and pulsatile flows. Harvard pulsatile pump was used to generate the pulsatile velocity waveforms. Conifer powder as the tracing particles was added to water to visualize the flow fields. CCD cameras($1K{\times}1K$(high resolution camera) and $640{\times}480$(low resolution camera)) captured two consecutive particle images at once for the image processing of several cross sections on the flow system. The range validation method and the area interpolation method were used to obtain the final velocity vectors with high accuracy. The results of the image processing clearly showed the recirculation zones and the formation of the paired secondary flows from the distal to the apex of the branch flow in the bifurcated model. The results also indicated that the particle velocities at the inner wall moved faster than the velocities at the outer wall due to the inertial force effects and the helical motions generated in the branch flows as the flow proceeded toward the outer wall. Even though the PIV images from the high resolution camera were closer to the simulation results than the images from the low resolution camera at some locations, both results of the PIV experiments from the two cameras generally agreed quite well with the results from the computer simulations. Therefore, instead of using the expensive stereoscopic PIV or 3D PIV system, the three-dimensional flow fields in a bifurcated model could be easily and exactly investigated by this study.
Characteristics of the pulsatile flow in a 3-dimensional elastic blood vessel are investigated to understand the blood flow phenomena in the human body arteries. In this study, a model for the elastic blood vessel is proposed. The finite volume prediction is used to analyse the pulsatile flow in the elastic blood vessel. Variations of the pressure, velocity and wall shear stress of the pulsatile flow in the elastic blood vessel are obtained. The magnitudes of the velocity waveforms in the elastic blood vessel model are larger than those in the rigid blood vessel model. The wall shear stresses on the elastic vessel vary with the blood vessel motions. Amplitude indices of the wall shear stress for blood in the elastic blood vessel are $4\sim5$ times larger than those of the Newtonian fluid. As the phase angle increased, point of the phase angle is are moved forward and the wall shear stresses are increased for blood and the Newtonian fluid.
Using numerical models, we investigated the efficiency of toxin removal using pulsatile flow in blood purification systems that use semipermeable membranes. The model consisted of a three-compartmental mass transfer model for the inside body and a solute kinetics model for the dialyzer. The model predicted the toxin concentration inside the body during blood purification therapy, and the toxin removal efficiencies at different flow configurations were compared quantitatively. According to the simulation results, the clearances of urea and ${\beta}_2$ microglobulin (B2M) using a pulsatile pump were improved by up to 30.9% for hemofiltration, with a 2.0% higher urea clearance and 4.6% higher B2M clearance for high flux dialysis, and a 3.9% higher urea clearance and 8.2% higher B2M clearance for hemodiafiltration. These results suggest that using a pulsatile blood pump in blood purification systems with a semipermeable membrane improves the efficacy of toxin removal, especially for large molecules and hemofiltration treatment.
Particle Image Velocimetry (PIV) measurements have been carried out to investigate the pulsatile flow characteristics in a triangular grooved channel. The results showed that a vortex was generated at the tip of the groove and flowed into the groove rotating inside during the acceleration phase of the main stream promoting the mixing of the fluid. Then, at the deceleration phase of the main stream, the vortex entrained fluid from the relatively slow moving main stream to grow bigger than the groove size. Finally the vortex was ejected to the main stream carrying the fluid away from the groove, resulting in the enhancement of mixing between the stagnant fluid in the groove and the main stream in the channel. It was found that the fluid mixing enhancement is maximized when the pulsatile period is the same as the time duration which the vortex takes to grow larger enough to fill the groove and to be ejected to the main stream.
Previous trials for development of a pulsatile-Extracorporeal Life Support had some defects such as insufficient blood flow, high pressure at its membrane oxygenator and the high risk of blood cell damage. To solve those problems of previous pulsatile-ECLSs, we suggest dual pulsatile blood pump structure for the new pulsatile-ECLS. Two pulsatile pumps areconnected in a parallel manner and this new structure raises the inflow capacity and efficiency and it decreases the high blood pressure at membrane oxygenator. In in-vitro experiments, The Energy Equivalent Pressure Increment(EEP inc.) was 10%, and it showed that its pulsatilty was $5{\sim}10$ times higher than other commercial ECLS In in-vivo experiments, we had applied a new pulsatile-ECLS to 30 Kg pigs and a new pulsatile-ECLS couldsupport high blood flow and pulsatility above 2 L/min, 10% EEP inc.
This research is about the pulsatile pump system utilized in the perfusion bioreactor for the in vitro human tissue culture. A pulsatile pump system which can be applied to the culture of the vascular tissues including blood vessel is developed by using the idea of human heart's blood pumping into organs as followings: culture chamber, a pressurizing device which generates laminar pulsatile flow by controlling the x-sectional area of the culture media delivering tubing, a compliance chamber which supplies the pressuring device with a constant pressure, and a peristaltic pump which circulates the culture media in a circuit ranging from the culture chamber to the compliance chamber. The developed pulsatile pump system shows that a physiology of the human heart's blood pumping including pulsatile pressure waveform of systolic-diastolic pressure is well represented. Not only time domain but also frequency domain characteristics of pulsatile pump system which are necessary for the vascular tissue culture such as pulsatile pressure waveform's shape, the frequency, and the magnitude can be easily generated and manipulated by using the proposed system.
This paper investigated the characteristics of the turbulent incompressible flow past the orifice ring in an axi-symmetric pipe. The flow field was the turbulent pulsatile flow for Reynolds number of $2{\times}10^{5}$ which was defined based on the maximum velocity and the pipe diameter at the inlet, with oscillating frequence $(f_{os})=1/4{\pi}$ which was considered as quasi-steady state frequence. In the present investigation, finite analytic method was used to solve the governing equations in Navier Stokes and turbulent transport formulations. Particularly at high Reynolds number and low oscillation frequency, the effects of orifice ring on the flow were numerically investigated. The separation zone behind the orifice ring during the acceleration phase was found to be decreased. However, during the deceleration phase, the separation behind the orifice ring for pulsatile flow continuously grow to a size even larger than that in steady flow. The pressure drop in steady flow was found to be constant and always positive while for pulsatile flow the pressure drop change with time. And large turbulent kinetic energy, dissipation rate were found to be located in the region where the flow passes through the orifics ring. The maximum turbulent kinetic energy, generally occurs along the shear layer where the velocity gradient is large.
Analyzing the characteristics of blood flow in the blood vessels is very important to diagnose the circulatory diseases. In order to investigate the hemodynamic characteristics in vivo, the measurements of blood flows inside the extraembryonic arterial and venous blood vessels of chicken embryos were carried out using an in vivo micro-PIV technique. The circulatory diseases are closely related with the formation of abnormal hemodynamic shear stress regions, thereby it is important to get blood velocity and vessel's morphological information according to the vessel configuration and the flow conditions. In this study, the flow images of RBCs in blood vessels were obtained using a high-speed CMOS camera with a spatial resolution of approximately 14.6${\mu}$m${\times}$14.6${\mu}$m in the whole circulation network of blood vessels. The blood flows in the veins and arteries show steady laminar and unsteady pulsatile flow characteristics, respectively. The mean blood flows merged (in veins) and bifurcated (in arteries) smoothly into the main blood vessel and branches, respectively, without any flow separation or secondary flow which accompanying large variation of shear stress. Vorticity was high in the inner regions for both types of vessels, where the radius of curvature varied greatly. The instantaneous flows in the arterial blood vessels showed noticeable pulsatility due to the heart beat, and the main features of the velocity waveforms, including pulsatile shape, retrograde flow, mean velocity, maximum velocity and pulsatile frequency, were significantly dependent on the pulsatile condition which dominates the arterial blood flow. In near future, these in vivo experimental results of blood flow measured in various extraembryonic blood vessels would be very useful to understand the hemodynamic characteristics of human blood flows and various blood flow researches for clinically useful hemodynamic discoveries as well.
The objective of the present study was to investigate the characteristics of flow and wall shear stress under steady and pulsatile flow in the aneurysm. The numerical simulation using the software were carried out for the diameter ratios ranging from 1.5 to 3.0, Reynolds number ranging from 900 to 1800 and Womersley number, 15.47. For steady flow, it was shown that a recirculating vortex occupied the entire bulge with its core located closer to the distal end of the bulge and the strength of vortex increased with increase of the Reynolds number and diameter ratio. The position of a maximum wall shear stress was the distal end of the aneurysm regardless of the Reynolds number and diameter ratios. For the pulsatile flow, a recirculating flow at the bulge was developed and disappeared for one period and the strength of vortex increased with the diameter ratio. The maximum values of the wall shear stress increased in proportion to the diameter ratio. However, the position of a maximum wall shear stress was the distal end of the aneurysm regardless of the diameter ratios.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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