Song, Jae Min;Hong, Hyeonji;Ha, Yi Kyung;Yeom, Eunseop
Journal of the Korean Society of Visualization
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v.17
no.2
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pp.10-16
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2019
Considering the role of viscosity in the hemorheology, the characteristics of non-Newtonian fluid are important in the pulsatile blood flows. Stenosis, with an abnormal narrowing of the vessel, contributes to block blood flows to downstream tissue and lead to plaque rupture. Therefore, systematic analysis of blood flow around stenosed vessels is crucial. In this study, non-Newtonian behaviors of blood analog fluids around the micro-stenosis with 60 % severity in diameter of $500{\mu}m$ was examined by using CFX under the pulsatile flow conditions with the period of 10 s. Viscosity information of two non-Newtonian fluids were obtained by fitting the value of normal blood and highly viscous blood. As the Newtonian fluid, the water at room temperature was used. During the pulsatile phase, wall shear stress (WSS) is highly oscillated. In addition, high viscous solution gives rise to increases the variation in the WSS around the micro-stenosis. Highly oscillating WSS enhance increasing tendency of plaque instability or rupture and damage of the tissue layer. These results, related to the influence on the damage to the endothelium or stenotic lesion, may help clinicians understand relevant mechanisms.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.11
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pp.1585-1596
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2002
The objectives of the present study are to numerically and experimentally investigate the steady and pulsatile flow phenomena in the circular tubes, to quantitatively compare the flow characteristics of Newtonian and non-Newtonian fluids, and to find meaningful hemodynamic information through the flow analysis in the human blood vessels. The particle image velocimetry is adopted to visualize the flow fields in the circular tube. and the results from the particle image velocimetry are used to validate the results of the numerical analysis. In order to investigate the blood flow phenomena in the circular tube. constitutive equations, which are suitable to describe the rheological properties of the non-Newtonian fluids. are determined, and the steady and pulsatile momentum equations are solved by the finite volume prediction. The velocity vectors of the steady and pulsatile flow in the circular tube obtained by the particle image velocimetry arc in good agreement with those by the numerical analysis. For the given mass flow rate. the axial velocity profiles of the Newtonian and the non-Newtonian fluids appear differently. The pulsatile flow phenomena of the Newtonian and the non-Newtonian fluids are quite different from those of the steady flow.
The pulsatile flow of blood through a stenosed artery under the influence of external periodic body acceleration is studied. The effect of non-Newtonian nature of blood in small blood vessels has been taken into account by modeling blood as a Casson fluid. The non-linear coupled equations governing the flow are solved using perturbation analysis assuming that the Womersley frequency parameter is small which is valid for physiological situations in small blood vessels. The effect of pulsatility, stenosis, body acceleration, yield stress of the fluid and pressure gradient on the yield plane locations, velocity distribution, flow rate, shear stress and frictional resistance are investigated. It is noticed that the effect of yield stress and stenosis is to reduce flow rate and increase flow resistance. The impact of body acceleration is to enhance the flow rate and reduces resistance to flow.
Hemodynamics behavior of the blood flow is influenced by the presence of the arterial stenosis. If stenosis is present in an artery, normal blood flow is disturbed. In the present study, characteristics of steady and pulsatile flow of non-Newtonian fluid, the effects of stenosised geometry are analyzed by numerical simulation. One interesting point is that non-symmetric solutions were obtained at severity stenosis, although the stenosis and the boundary condition were all axisymmetric.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.11
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pp.3607-3619
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1996
Experimental and numerical studies for three-dimensional pulsatile flows are conducted to investigate the flow characteristics in the bifurcated tubes. Velocity measurements in experimental study were made by both Pulsed Doppler Ultrasound(PDU) machine and Laser Doppler Anemometer(LDA) system. Glycerin is used for experimental study. Experimental results are used to verify the results of the numerical simulation. Flow characteristics of Newtonian fluid and blood in the bifurcated tubes under the steady and pulsatlie flows are numerically investigated. Finite volume method is employed for three-dimensional numerical simulations. Blood is considered as a non-Newtonian fluid and the constitutive equation of blood is used for the numerical analysis. Numerical analyses are focused on the flow patterns for various branch angles ranging from 30.deg. to 90.deg. and diameter ratios such as 1.0, 0.8, and 0.6. Pulsatile flow characteristics of blood are compared with those of Newtonian fluid. Parameter effects on axial velocity, pressure and wall shear stress distribution along the bifurcated tubes are discussed in terms of the branch angle, diameter ratio, and Reynolds number.
A numerical analysis is performed to investigate the effect of rotation on the blood flow characteristics with four different angular velocities. The artery has a cylindrical shape with 50% stenosis rate symmetrically distributed at the middle. Blood flow is considered a non-Newtonian fluid. Using the Carreau model, we apply the pulsatile velocity profile at the inlet boundary. The period of the heart beat is one second. In comparison with no-rotation case, the flow recirculation zone (FRZ) contracts and its duration is reduced in axially rotating artery. Also wall shear stress is larger after the FRZ disappears. Although the geometry of artery is axisymmetry, the spiral wave and asymmetric flow occur clearly at the small rotation rate. It is caused that the flow is influenced by the effects of the rotation and the stenosis at same time.
Son Ho Sung;Fang Yong Hu;Hwang Znuke;Min Byoung Ju;Cho Jong Ho;Park Sung Min;Lee Sung Ho;Kim Kwang Taik;Sun Kyung
Journal of Chest Surgery
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v.38
no.2
s.247
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pp.101-109
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2005
Background: In sudden cardiac arrest, the effective maintenance of coronary artery blood flow is of paramount importance for myocardial preservation as well as cardiac recovery and patient survival. The purpose of this study was to directly compare the effects of pulsatile and non-pulsatile circulation to coronary artery flow and myocardial preservation in cardiac arrest condition. Material and Method: A cardiopulmonary bypass circuit was constructed in a ventricular fibrillation model using fourteen Yorkshire swine weighing $25\~35$ kg each. The animals were randomly assigned to group I (n=7, non-pulsatile centrifugal pump) or group II (n=7, pulsatile T-PLS pump). Extra-corporeal circulation was maintained for two hours at a pump flow of 2 L/min. The left anterior descending coronary artery flow was measured with an ultrasonic coronary artery flow measurement system at baseline (before bypass) and at every 20 minutes after bypass. Serologic parameters were collected simultaneously at baseline, 1 hour, and 2 hours after bypass in the coronary sinus venous blood. The Mann-Whitney U test of STATISTICA 6.0 was used to determine intergroup significances using a p value of < 0.05. Result: The resistance index of the coronary artery was lower in group II and the difference was significant at 40 min, 80 min, 100 min and 120 min (p < 0.05). The mean velocity of the coronary artery was higher in group II throughout the study, and the difference was significant from 20 min after starting the pump (p < 0.05). The coronary artery blood flow was higher in group II throughout the study, and the difference was significant from 40 min to 120 min (p < 0.05) except at 80 min. Serologic parameters showed no differences between the groups at 1 hour and 2 hours after bypass in the coronary sinus blood. Conclusion: In cardiac arrest condition, pulsatile extracorporeal circulation provides more blood flow, higher flow velocity and less resistance to coronary artery than non-pulsatile circulation.
Background: Currently, the cardiopulmonary machine with non-pulsatile pumps, which are low in internal circuit pressure and cause little damage to blood cells, is widely used. However, a great number of experimental studies shows that pulsatile perfusions are more useful than non-pulsatile counterparts in many areas, such as homodynamic, metabolism, organ functions, and micro-circulation. Yet, many concerns relating to pulsatile cardiopulmonary machines, such as high internal circuit pressure and blood cell damage, have long hindered the development of pulsatile cardiopulmonary machines. Against this backdrop, this study focuses on the safety and effectiveness of the pulsatile cardiopulmonary machines developed by a domestic research lab. Material and Method: The dual-pulsatile cardiopulmonary bypass experiment with total extracorporeal circulation was conducted on six calves, Extracorporeal circulation was provided between superior/inferior vena cava and aorta. The membrane oxygenator, which was placed between the left and right pumps, was used for blood oxygenation. Circulation took four hours. Arterial blood gas analysis and blood tests were also conducted. Plasma hemoglobin levels were calculated, while pulse pressure and internal circuit pressure were carefully observed. Measurement was taken five times; once before the operation of the cardiopulmonary bypass, and after its operation it was taken every hour for four hours. Result: Through the arterial blood gas analysis, PCO2 and pH remained within normal levels. PO2 in arterial blood showed enough oxygenation of over 100 mmHg. The level of plasma hemoglobin, which had total cardiopulmonary circulation, steadily increased to 15.87 $\pm$ 5.63 after four hours passed, but remained below 20 mg/㎗. There was no obvious abnormal findings in blood test. Systolic blood pressure which was at 97.5$\pm$5.7 mmHg during the pre-circulation contraction period, was maintained over 100 mmHg as time passed. Moreover, diastolic blood pressure was 72.2 $\pm$ 7.7 mmHg during the expansion period and well kept at the appropriate level with time passing by. Average blood pressure which was 83$\pm$9.2 mmHg before circulation, increased as time passed, while pump flow was maintained over 3.3 L/min. Blood pressure fluctuation during total extracorporeal circulation showed a similar level of arterial blood pressure of pre-circulation heart. Conclusion: In the experiment mentioned above, pulsatile cardiopulmonary machines using the doual-pulsatile structure provided effective pulsatile blood flow with little damage in blood cells, showing excellence in the aspects of hematology and hemodynamic. Therefore, it is expected that the pulsatile cardiopulmonary machine, if it becomes a standard cardiopulmonary machine in all heart operations, will provide stable blood flow to end-organs.
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.
An oxygenator is a very important artificial organ and widely used for patients with lung failure or during open heart surgery. Although an oxygenator has been widely studied worldwide to enhance its efficiency, studies on oxygenators, in particular when using a pulsatile blood flow, are domestically limited. Therefore, a new oxygenator was developed in the lab and animal experimental results are described in the paper. The oxygenator is composed of polycarbonate housing and polypropylene hollow fibers. It has a total length of 400 mm and a surface area of $1.7 m^2$. The animal experiment lasted for 4 hours. The blood flow rate was set to 2 L/min and a pulsatile blood pump, T-PLS (Twin-Pulse Life Support), was used. Samples were drawn at the oxygenator's inlet and outlet. The total hemoglobin (Hb), saturation oxygen ($sO_2$), and partial oxygen pressure ($pO_2$), partial $CO_2$ pressure ($pCO_2$), and plasma bicarbonate ion concentration ($HCO_3^-$) were measured. The oxygen and carbon dioxide transfer rates were also calculated based on the experimental data in order to estimate the oxygenator's gas transfer efficiency. The oxygen and carbon dioxide transfer rates were $16.4{\pm}1.58$ and $165.7{\pm}10.96 mL/min$, respectively. The results showed a higher carbon dioxide transfer rate was achieved with the oxygenator. Also, the mean inlet and outlet blood pressures were 162.79 and 137.92 mmHg, respectively. The oxygenator has a low pressure drop between its inlet and outlet. The aim of own preliminary study was to make a new oxygenator and review its performance when applying a pulsatile blood pump thus, confirming the possibility of a new oxygenator suitable for pulsatile flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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