Πύλη Βιοϊατρικής Τεχνολογίας

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο - Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών

Ερευνητικά έργα

Σχεδιασμός και κατασκευή ιξωδομέτρων αίματος και μέτρηση ρεολογικών χαρακτηριστικών αίματος

Περιοχή έρευνας: Ρεολογία-ιξωδομετρία βιολογικών ρευστών (αίματος)

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Σκοπός του ερευνητικού έργου ήταν ο σχεδιασμό και κατασκευή νέων ιξωδομέτρων αίματος και η χρησιμοποίησή τους για την μέτρηση των ρεολογικών χαρακτηριστικών του αίματος σε φυσιολογικές και παθολογικές καταστάσεις

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Σωκράτης Τσαγγάρης

Συμμετέχοντες:  Γεώργιος Μαρινάκης (Διδάκτορας Μηχανολόγος Μηχανικός)

Φορέας του έργου:  Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Χρηματοδότης: E.M.Π

Έναρξη – Λήξη: 1995-1998

Διάρκεια έργου: 36 μήνες

Μεθοδολογία: Σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν τρία νέα συστήματα ιξωδομέτρων: τριχοειδές ιξωδόμετρο ολικού αίματος και πλάσματος σε μέσες και υψηλές διατμητικές τάσεις,  τριχοειδές ιξωδόμετρο ολικού αίματος και πλάσματος σε χαμηλές διατμητικές τάσεις,  υοειδές ιξωδοελαστόμετρο μέτρησης ιξωδοελαστικότητας ολικού αίματος.

Αποτελέσματα: Αξιολόγηση των διατάξεων έγινε σε κλινικό περιβάλλον, όπου διερευνήθηκε η δυνατότητα που μας παρέχουν για τη διάγνωση τεσσάρων ασθενειών ιδιαίτερης σοβαρότητας , της β-ομοζύγου μεσογειακής αναιμίας, του σακχαρώδη διαβήτη, της υπερλιπιδαιμίας και της αρτηριακής υπέρτασης. Οι χαρακτηριστικές σταθερές που προκύπτουν από τις εννοιολογικές εξισώσεις σε συνδυασμό με το ιξώδες του πλάσματος μπορούν να δώσουν σημαντικές πληροφορίες για την κατάσταση υγείας των εξεταζομένων.  

Δημοσιεύσεις:

!) Marinakis G.N., Barbenel J.C., Fisher A.C., Tsangaris S.

    “A new capillary viscometer for whole blood viscosimetry”

    Biorheology, vol. 36, pp. 311-319, 1999
2) Marinakis G.N., Barbenel J.C., Tsangaris S.

     “A new capillary viscometer for small samples of whole blood”

      Proc. Instn. Mech. Engns, part H: Journal of Engineering in Medicine, vol 216,  385-392,  2002

Ανάπτυξη λογισμικού διερεύνησης αιματικών ροών

Περιοχή έρευνας: «Υπολογιστική Βιορευστομηχανική

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Σκοπός του ερευνητικού έργου ήταν (i) η ανάπτυξη λογισμικού μελέτης τρισδιάστατων ροών συνεκτικού ρευστού με ρεολογικές ιδιότητες που προσομοιάζουν στο αίμα σε γεωμετρίες αντίστοιχες αγγείων σε φυσιολογικά και παθολογική κατάσταση και (ii) η ποιοτική και ποσοτική διερεύνηση των ρευστομηχανικών παραγόντων που επηρεάζουν ροές ιατρικού ενδιαφέροντος

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Σωκράτης Τσαγγάρης, Καθηγητής

Συμμετέχοντες: Παναγιώτης Νεοφύτου, Δρ. Μηχανολόγος Μηχανικός

Φορέας του έργου: Ε.Μ.Π.

Χρηματοδότης: Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας (ENTEΡ)

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου: 19.5.2003-19.5.2005 (24 μήνες)

Μεθοδολογία:

Στην αρχική φάση του έργου αναπτύχθηκε το πρώτο τμήμα του κώδικα που είναι το λογισμικό κατασκευής πλέγματος σε τρεις διαστάσεις για τις δύο κατηγορίες πλέγματος που ενδιαφέρουν και που είναι ορθογώνια και καμπυλόγραμμα πλέγματα. Ακολούθως έγινε η κατάλληλη διακριτοποίηση στις εξισώσεις ρευστών (Navier-Stokes) ώστε αυτές να δύνανται να επιλυθούν αριθμητικά στο υπ’ όψιν πλέγμα και άρχισε να αναπτύσσεται το δεύτερο τμήμα του κώδικα που αφορά στο λογισμικό αριθμητικής επίλυσης των εξισώσεων. Παράλληλα, συντελούνταν η εισαγωγή στο λογισμικό των καταστατικών εξισώσεων για το αίμα μετά από επέκταση της μονοδιάστατης τους έκφρασης σε τρεις διαστάσεις.

 

Η δεύτερη φάση του έργου επικεντρώθηκε στην επίλυση της ροής μέσα σε (i) τρισδιάστατο γεωμετρικό μοντέλο στένωσης προσομοιάζοντας έτσι την ροή σε μια αρτηρία τμήμα της οποίας είναι στενωμένο λόγω παρουσίας αθηρωματικών πλακών, (ii) τρισδιάστατο γεωμετρικό μοντέλο ανευρύσματος προσομοιάζοντας έτσι την ροή στην κοιλιακή αρτηρία, σε τμήμα της οποίας παρουσιάζεται ανεύρυσμα. Οι αιμοδυναμικοί παράγοντες που εξετάσθηκαν ήταν η κατανομή διατμητικής τάσης τοιχώματος, η δημιουργία περιοχών ανακυκλοφορίας στην ροή και η διαφορά πίεσης εισόδου-εξόδου. Η ανάλυση των αιμοδυναμικών παραγόντων περιέλαβε παραμετρική διερεύνηση ροής στα προαναφερόμενα γεωμετρικά μοντέλα και υπό διαφορετικά επίπεδα σοβαρότητας ανευρύσματος και στένωσης, υπό διαφορετικές παροχές ροής αίματος και με διαφορετικές εξισώσεις προσομοίωσης της ρεολογικής συμπεριφοράς του αίματος.
 

Αποτελέσματα:

1. Επίδραση παροχής εισόδου

(i) Στένωση

Οι ροές που αντιστοιχούν σε Re=100, 200 και 300 για όλα τα μοντέλα έχουν υπολογιστεί σύμφωνα με ρεαλιστική ροή στις καρωτιδικές αρτηρίες θεωρώντας βαθμό στένωσης 50%. Δεν υπάρχει καμία ένδειξη ασυμμετρίας της ροής ως προς τον κεντρικό άξονα και έτσι τα αποτελέσματα παρουσιάζονται για ένα τυχαίο επίπεδο το οποίο περιλαμβάνει τον άξονα. Η διαφορά μεταξύ των μηκών ανακυκλοφορίας στο πεδίο ροής για Re=100 και Re=200 φαίνεται να είναι η ίδια όπως και μεταξύ Re=200 και Re=300 και αυτό ισχύει για όλα τα μοντέλα.

Από την διαφορά πίεσης (DP) μεταξύ εισόδου και εξόδου φαίνεται ότι όλα τα μη Νευτώνεια μοντέλα προκαλούν ψηλότερη διαφορά πίεσης συγκρινόμενα με την Νευτώνεια περίπτωση υποδηλώνοντας ότι μια συγκεκριμένη διαφορά πίεσης θα προκαλούσε χαμηλότερη παροχή για τα μη Νευτώνεια μοντέλα. Η ψηλότερη τιμή DP προκαλείται από το μοντέλο Power-Law ακολουθούμενο διαδοχικά από τα μοντέλα Casson και Quemada. Η αλλαγή από Re=100 σε Re=200 φαίνεται να προκαλεί την ίδια αύξηση στο DP όπως και η αλλαγή από Re=200 σε Re=300 για όλα τα μοντέλα. Εξάλλου η διαφορά μεταξύ των τιμών DP για κάθε μοντέλο για συγκεκριμένη τιμή Re φαίνεται να είναι η ίδια για κάθε μία από τις τρεις τιμές Re

Η κατανομή διατμητικής τάσης τοιχώματος (ΔΤΤ) είναι εκ των σημαντικότερων παραγόντων ροής λόγω της σχέσης της με την δημιουργία αθηροματικών πλακών. Ένα έντονο θετικό ακρότατο στην κατανομή της ΔΤΤ είναι εμφανές στον λαιμό της στένωσης η τιμή του οποίου αυξάνεται με την αύξηση του Re. Το ακρότατο ακολουθούν αρνητικές τιμές υποδεικνύοντας την παρουσία περιοχής ανακυκλοφορίας και ακολούθως η ΔΤΤ επανακτά προοδευτικά την τιμή που αντιστοιχεί σε πλήρως ανεπτυγμένη ροή. Όσον αφορά την μέγιστη (tWmax) και ελάχιστη (tWmin) τιμή της κατανομής, για Re=100 οι τιμές των tWmax και tWmin είναι πολύ κοντά για όλα τα μοντέλα και ψηλότερες κατ’ απόλυτη τιμή από την Νευτώνεια περίπτωση. Όσο ο Re αυξάνεται οι διαφορές στην επίδραση των διαφόρων μοντέλων γίνονται πιο έντονες και συγκεκριμένα το μοντέλο Power-Law προκαλεί την χαμηλότερη tWmax σε σύγκριση με τα υπόλοιπα μοντέλα. Αυτό οφείλεται στη χαμηλότερη συνεκτικότητα που εκδηλώνει το μοντέλο Power-Law για υψηλούς ρυθμούς διάτμησης οι οποίοι προκαλούνται στον λαιμό της στένωσης λόγω του ότι οι κλίσεις ταχύτητας γίνονται πιο έντονες για μεγαλύτερους αριθμούς Re. Η τιμή της tWmax για το μοντέλο Power-Law διαφέρει επίσης εμφανώς από τα υπόλοιπα μοντέλα για μεγαλύτερους αριθμούς Re.

(ii) Ανεύρυσμα

Οι ροές που αντιστοιχούν σε Re=300, 900 και 1500 έχουν προσομοιωθεί θεωρώντας a=0.55 εύρος ανευρύσματος. Αυτές οι τιμές Re καλύπτουν ρεαλιστικές συνθήκες ροής στην κοιλιακή αορτή. Όσον αφορά το πεδίο ροής, για Re=300 παρουσιάζεται μια ελαφρά αποκόλληση ροής στο διευρυμένο τμήμα ενώ για Re=900 η περιοχή ανακυκλοφορίας καλύπτει όλο το διευρυμένο τμήμα. Καθώς ο Re αυξάνεται (Re=1500) η περιοχή ανακυκλοφορίας παραμένει στο ίδιο εύρος αλλά το κέντρο της δίνης μετατοπίζεται κατάντι.

Από την διαφορά πίεσης (DP) μεταξύ εισόδου και εξόδου φαίνεται ότι όλα τα μη Νευτώνεια μοντέλα προκαλούν ψηλότερη διαφορά πίεσης συγκρινόμενα με την Νευτώνεια περίπτωση υποδηλώνοντας ότι μια συγκεκριμένη διαφορά πίεσης θα προκαλούσε χαμηλότερη παροχή για τα μη Νευτώνεια μοντέλα. Η ψηλότερη τιμή DP προκαλείται από το μοντέλο Power-Law ακολουθούμενο διαδοχικά από τα μοντέλα Casson και Quemada. Η αλλαγή από Re=300 σε Re=900 φαίνεται να προκαλεί την ίδια αύξηση στο DP όπως και η αλλαγή από Re=900 σε Re=1500 για όλα τα μοντέλα.

Όσον αφορά την ΔΤΤ αυτή μειώνεται καθώς η ροή εισέρχεται στο ανεύρυσμα ενώ ένα έντονο θετικό ακρότατο στην κατανομή της είναι εμφανές στον πέρας του ανευρύσματος η τιμή του οποίου αυξάνεται με την αύξηση του Re. Για υψηλούς Re οι τιμές της ΔΤΤ μέσα στο διευρυμένο τμήμα γίνονται αρνητικές υποδεικνύοντας την παρουσία περιοχής ανακυκλοφορίας. Καθώς η ροή εξέρχεται από το ανεύρυσμα η ΔΤΤ επανακτά προοδευτικά την τιμή που αντιστοιχεί σε πλήρως ανεπτυγμένη ροή. Για Re=300 οι τιμές της tWmin είναι πολύ κοντά για όλα τα μοντέλα ενώ οι τιμές της tWmax είναι ψηλότερες για το μοντέλο Power-Law ακολουθούμενο διαδοχικά από τα μοντέλα Casson και Quemada. Όλες οι προαναφερόμενες τιμές της tWmax είναι σημαντικά ψηλότερες σε σύγκριση με την Νευτώνεια περίπτωση. Όσον αφορά την tWmin ισχύει το ίδιο για υψηλούς Re ενώ η αύξηση του Re προκαλεί χαμηλότερες τιμές της tWmin για την Νευτώνεια περίπτωση συγκρινόμενη με τα υπόλοιπα μοντέλα για τα οποία οι τιμές της tWmin είναι πολύ κοντά.

 
2.Επίδραση βαθμού παραμόρφωσης

(i) Στένωση

Έχουν προσομοιωθεί οι ροές που αντιστοιχούν σε Re=100 και για βαθμούς στένωσης ίσους με 20%, 50% και 80% για όλα τα μοντέλα. Οι γραμμές ροής δείχνουν την σημαντική επίδραση του βαθμού στένωσης στο πεδίο ροής. Ενώ για 20% στένωση δεν παρατηρείται δημιουργία ζώνης ανακυκλοφορίας και ακόμα και για 50% στένωση υπάρχει μια μικρή ζώνη ανακυκλοφορίας, για 80% στένωση η παρουσία ζώνης ανακυκλοφορίας κυριαρχεί στο πεδίο ροής.

Η διαφορετική επίδραση του βαθμού στένωσης στις περιπτώσεις ροών των διάφορων μοντέλων είναι πιο εμφανής στα αποτελέσματα που αφορούν στο DP. Παρατηρείται ότι ενώ για St=20% στένωση η τιμή του DP είναι η ψηλότερη για το μοντέλο Power-Law ακολουθούμενο διαδοχικά από τα μοντέλα Casson και Quemada, καθίσταται η χαμηλότερη για St=80%. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν ότι η διαφορά πίεσης είναι ουσιαστικά το ολοκλήρωμα της ΔΤΤ πάνω στο σε ολόκληρο το τοίχωμα, το φαινόμενο αυτό σχετίζεται άμεσα με το χαμηλό ακρότατο της ΔΤΤ στον λαιμό της στένωσης το οποίο παρουσιάζεται στην περίπτωση του μοντέλου Power-Law σε σύγκριση με τα υπόλοιπα μοντέλα. Τα μοντέλα Casson και Quemada παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά για όλους τους βαθμούς στένωσης. Αυτό φαίνεται και σε συνάρτηση με τα αποτελέσματα για tWmin. Η τελευταία είναι στα ίδια επίπεδα για όλα τα μοντέλα όταν υπάρχει ζώνη ανακυκλοφορίας (St=50%, St=80%). Αξίζει να σημειωθεί ότι για μεταβολή 30% στον βαθμό στένωσης από 50% σε 80% η αύξηση στην tWmax είναι περίπου 10 φορές μεγαλύτερη από την μεταβολή από 20% σε 50% για όλα τα μοντέλα.

(ii) Ανεύρυσμα

Έχουν προσομοιωθεί οι ροές για Re=300 θεωρώντας βαθμούς ανευρύσματος που αντιστοιχούν σε a=0.25, a=0.40 και a=0.55. Για a=0.25 η ροή δεν παρουσιάζει αποκόλληση με την ζώνη ανακυκλοφορίας να σχηματίζεται σταδιακά για a>0.40. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 4 το εύρος του ανευρύσματος δεν επηρεάζει την DP για κανένα από τα μοντέλα. Η DP παραμένει η ψηλότερη για το μοντέλο Power-Law ακολουθούμενο διαδοχικά από τα μοντέλα Casson  Quemada και Νευτώνειο αλλά η αύξηση στην διαστολή αφήνει ανεπηρέαστη την DP για όλα τα μοντέλα. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν ότι η διαφορά πίεσης είναι ουσιαστικά το ολοκλήρωμα της ΔΤΤ πάνω στο σε ολόκληρο το τοίχωμα δεν πρέπει να αναμένεται ουσιαστική επίδραση της διαστολής του ανευρύσματος στην κατανομή της ΔΤΤ. Η κατανομή της ΔΤΤ για την Νευτώνεια περίπτωση παραμένει ουσιαστικά ανεπηρέαστη ενώ τα μέγιστα και ελάχιστα επίπεδα ΔΤΤ για τα υπόλοιπα μοντέλα παρουσιάζουν πολύ μικρή μεταβολή.

Δημοσιεύσεις:

 
1. P. Neofytou, S. Tsangaris

“Flow effects of blood constitutive equations on 3D models of vascular anomalies”

Int. J. Numer. Methods in Fluids, 2006 (in press)

2. P. Neofytou, Tsangaris S.

“Implementation and differences between blood rheological models in simulating the flow in an abdominal aortic Aneurysm”

4th European Symposium on Biomedical Engineering” June 25-27, 2004, Patras,

3. P. Neofytou, Tsangaris S.

“Computational Haemodynamics and the effect of blood rheological models on the flow through an arterial stenosis”

ECCOMAS, <st1:place w:st="on"><st1:city w:st="on">Jyvaeskylae</st1:city>, <st1:country-region w:st="on">Finland</st1:country-region></st1:place>, 24-28 July, 2004

Editors P. Neittaanmaeki, T. Rossi, K. Majava, O. Pironneau

4. P. Neofytou, Tsangaris S.

“Numerical study of the flow induced effects by different blood constitutive equations in a stenosed artery model”

1st International Conference “From Scientific Computing to Computational Engineering”, <st1:city w:st="on"><st1:place w:st="on">Athens</st1:place></st1:city>, 8-10 September, 2004

Εξέλιξη αριθμητικών μεθοδολογιών για την πρόβλεψη αλληλεπίδρασης ροής και κίνησης-παραμόρφωσης τοιχώματος

Περιοχή έρευνας: «Υπολογιστική Βιορευστομηχανική»

 

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Η προτεινόμενη ερευνητική εργασία έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη αριθμητικής μεθοδολογίας για τη μελέτη της ροής ασυμπίεστου συνεκτικού ρευστού σε διδιάστατους αγωγούς (επίπεδους ή αξονοσυμμετρικούς) των οποίων το τοίχωμα είναι παραμορφωτό. Είναι επομένως σαφές ότι τα μηχανικά φαινόμενα ροής και κίνησης – παραμόρφωσης του τοιχώματος είναι μηχανικά συζευγμένα και επομένως αλληλεπιδρούν.

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Σωκράτης Τσαγγάρης, Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Συμμετέχοντες: Αναστάσιος Λαζόπουλος

Φορέας του έργου: Ε.Μ.Π.

Χρηματοδότης: E.M.Π.

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου: 1.1.2002-31.12.2005

Μεθοδολογία: Ως προς την αριθμητική προσέγγιση του πεδίου ροής θα χρησιμοποιηθεί μεθοδολογία πεπερασμένων όγκων που αναπτύχθηκε από την προτείνουσα ερευνητική ομάδα στο παρελθόν. Η μεθοδολογία αυτή επιλύει αριθμητικά το σύστημα των εξισώσεων διατήρησης της μάζας (συνέχεια) και Navier-Stokes για ασυμπίεστο ρευστό σταθερού ιξώδους. Η μεθοδολογία ανήκει στην κατηγορία των μεθόδων πρόβλεψης – διόρθωσης. Χρησιμοποιούνται οι μετασχηματισμένες εξισώσεις σε τυχαίο καμπυλόγραμμο σύστημα συντεταγμένων ώστε να είναι δυνατή η εύκολη αντιμετώπιση πολύπλοκων γεωμετριών, όπως προκύπτουν από την παραμόρφωση του τοιχώματος του αγωγού.

Ως προς την μοντελοποίηση της μεμβράνης του τοιχώματος θεωρούμε ότι η μεμβράνη του τοιχώματος είναι στην αρχική  της κατάσταση κυλινδρική και το μεταλυγισμικό της σχήμα είναι αξονοσυμμετρικό. Στηρίζεται δε σε δύο σταθερές διατομές. Χρησιμοποιείται θεωρία των μεγάλων παραμορφώσεων μεμβρανών με θεώρηση των SEF (strain energy functions) που χαρακτηρίζουν αρτηριακά τοιχώματα.

Αποτελέσματα:

Οι εφαρμογές χωρίστηκαν σε δύο μεγάλες ομάδες: Στην πρώτη ομάδα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα σε ευθύ κυλινδρικό σωλήνα με προσθήκη ελαστικής μεμβράνης (άλλοτε γραμμικής, άλλοτε μη γραμμικής) και τέλος την περίπτωση κυλινδρικού σωλήνα που αποτελείται εξολοκλήρου από μη γραμμικά ελαστικό υλικό μεταβλητής ακαμψίας. Στην δεύτερη ομάδα αποτελεσμάτων παρουσιάζονται σωλήνες με διαμορφώσεις όπου προσθέτουμε σαν προσθήκη γραμμικά ελαστικές ή μη γραμμικά ελαστικές μεμβράνες για διάφορες οριακές συνθήκες ροής.

Δημοσιεύσεις:

1. A. Lazopoulos, S. Tsangaris

“Fluid flow of incompressible viscous fluid through a tube with a non-linear elastic membrane insertion: Applications”

Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, vol.2/2, 222-233, 2008

2. A. Lazopoulos, S. Tsangaris

“Fluid flow of incompressible viscous fluid through a non-linear elastic tube”

Archive of Applied Mechanics, 2008

Ανάπτυξη οπτικών μεθόδων για τη μέτρηση της ταχύτητας ροής σε μικροαγγεία in-vitro και in – vivo

Περιοχή έρευνας: Μικροκυκλοφορία αίματος

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Σκοπός της έρευνας ήταν η ανάπτυξη οπτικών μεθόδων για την μέτρηση των μικρών ταχυτήτων ροής του αίματος που επικρατούν στην μικροκυκλοφορία αίματος. Η ανάπτυξη των μεθοδολογιών έγινε in-vitro και επιχειρήθηκε η εφαρμογή τους in-vivo σε αναισθητοποιημένα μικρά ζώα. Η έρευνα έχει ως απώτερο σκοπό την ποσοτικοποίηση της επίδρασης φαρμακευτικών ουσιών στην μικροκυκλοφορία.  

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Σωκράτης Τσαγγάρης, Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Συμμετέχοντες:

Αριστοτέλης Κουτσιαρής

Δημήτριος Μαθιουλάκης, Αναπλ. Καθ. Ε.Μ.Π.

Αφροδίτη Πογιατζή, Αναπλ. Καθ. ΕΚΠΑ

Φορέας του έργου:  Ε.Μ.Π.

Χρηματοδότης: Ε.Μ.Π.

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου: 1997-2000 (36 μήνες)

Μεθοδολογία: Αναπτύχθηκε οπτική μέθοδος για τη μέτρηση ταχυτήτων ροής σε γυάλινα μικροαγγεία στην περιοχή 0,1-5 mm/s με χρήση της τεχνικής PIV. Το ρευστό ήταν αιώρημα γυάλινων σωματιδίων σε κατάλληλα μείγματα γλυκερίνης. Η διάταξη μέτρησης περιλάμβανε οπτικό μικροσκόπιο διερχομένου φωτός, CCD κάμερα και μικροκύκλωμα ροής. H ψηφιακή κάμερα CCD συνδεόταν απ’ ευθείας με ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω κατάλληλης κάρτας εικόνας. Η μέθοδος PIV υλοποιήθηκε με βάση την τεχνική ετεροσυσχέτισης δύο πλαισίων απλής έκθεσης. In-vivo μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο μεσεντέριο βατράχων και κουνελιών.

Αποτελέσματα: Στις in-vitro μετρήσεις τεκμηριώθηκε ότι η κύρια συνιστώσα του σφάλματος είναι το τυχαίο σφάλμα. Για τις μικρές ταχύτητες κοντά στο τοίχωμα το σφάλμα προέρχεται από τη διάμετρο της εικόνας των σωματιδίων ενώ για τις μεγάλες ταχύτητες κοντά στο άξονα από την επιμήκυνση της εικόνας των σωματιδίων.  Από τις in-vivo μετρήσεις αποδείχθηκε ότι στα κουνέλια υπάρχει πάλμωση στα μικρά αγγεία που αποσβένεται στα τριχοειδή αγγεία, ενώ στα βατράχια δεν παρατηρείται. Στις ίδιες διατομές η ταχύτητα είναι μεγαλύτερη στην αρτηριδική πλευρά σε σχέση με την φλεβιδική. Η ελάχιστη τιμή της διατμητικής τάσης παρατηρείται στις μικρές διατομές.

Δημοσιεύσεις:

1. Koutsiaris A.G., Pogiatzi A., Tsangaris S.

“Velocity measurements and wall shear stress estimation in the mesenteric microvasculature of frogs and rabbits”

Inter. Journal of Cardiovasc. Medicine and Science, 3/1, pp. 39-48, 2000

2. Koutsiaris A.G., Mathioulakis D.S., Tsangaris S.

“Microscope PIV for velocity-field measurement of particle suspensions flowing inside glass capillaries”

Meas. Sci. Technol. 10, pp. 1037-1046, 1999.

Ανάπτυξη υπολογιστικών μεθοδολογιών διφασικών ροών ρευστού που περιέχει σταγόνες, με εφαρμογή στην μικροκυκλοφορία

Περιοχή έρευνας: «Υπολογιστική Βιορευστομηχανική»

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Σκοπός της έρευνας είναι η ανάπτυξη υπολογιστικών μεθοδολογιών επίλυσης των εξισώσεων Navier-Stokes για την μελέτη του πεδίων ροής σε κλειστούς αγωγούς που προσομοιάζουν αγγεία. Το ρέον ρευστό είναι νευτώνειο και προσομοιάζει το πλάσμα του αίματος, περιέχει δε σταγόνες άλλου ρευστού που προσομοιάζουν τα έμορφα συστατικά του αίματος (ερυθρά αιμοσφαίρια).

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Σωκράτης Τσαγγάρης, Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Συμμετέχοντες:

Αστέριος Χρισταφάκης

Χρήστος Καλιακάτσος

Γιάννης Αλεξόπουλος

Φορέας του έργου:  Ε.Μ.Π.

Χρηματοδότης: Ε.Μ.Π.

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου: 1996-1999 (36 μήνες)

Μεθοδολογία: Χρησιμοποιούνται αριθμητικές μεθοδολογίες πεπερασμένων διαφορών και όγκων για την επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes  τόσο για το πλάσμα όσο και για το εσωτερικό της σταγόνας (αιμοσφαιρίνη). Η διεπιφάνεια των δύο ρευστών (πλάσμα-αιμοσφαιρίνη) παρακολουθείται με τη μέθοδο level set.  

Αποτελέσματα: Η έρευνα είναι υπό εξέλιξη. Τα μέχρι στιγμής αποτελέσματα έχουν αποδώσει στη μελέτη μια ή και περισσοτέρων σταγόνων (συστοιχία) σταγόνων σε ευθύγραμμους αγωγούς (αγγεία), και εν μέρει σε διακλαδούμενα αγγεία, για διάφορες τιμές των παραμέτρων του προβλήματος που είναι οι αριθμοί Reynolds, επιφανειακής τάσης, εκκεντρότητας, λόγου συνεκτικοτήτων και σχέσης μεγέθους σταγόνων προς διάμετρο αγγείου.

Δημοσιεύσεις:

1. Καλιακάτσος Χρ., Τσαγγάρης Σ.

«Μελέτη κίνησης ερυθρών αιμοσφαιρίων στην μικροκυκλοφορία μέσω των εξισώσεων Navier – Stokes”

2ο Πανελλήνιο συνέδριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας, σελ. 98-102, Αθήνα 1999.

2. Χ. Καλιακάτσος, Σ. Τσαγγάρης

«Προσομοίωση κίνησης ερυθροκυττάρων στα τριχοειδή αγγεία»

1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας, Αθήνα 20-21 Μαρτίου 1998.

Βιβλίο πρακτικών συνεδρίου, σελ. 22.

3. Kaliakatsos Ch., Tsangaris S.

"Motion of deformable drops in pipes and channels using Navier-Stokes equations"

International Journal for Numerical Methods in Fluids, 34, pp. 609-626,  2000.

Συμβολή των αιμοδυναμικών παραγόντων στην πρόκληση ιστομορφολογικών αλλοιώσεων του τοιχώματος των αρτηριοφλεβικών αναστομώσεων

Περιοχή έρευνας: Βιορευστομηχανική - Εμβιομηχανική

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Η πλειοψηφία των συνθετικών αρτηριοφλεβικών μοσχευμάτων που χρησιμοποιούνται για αιμοκάθαρση αποφράσσονται εντός 18 μηνών από την τοποθέτησή τους, κυρίως λόγω της εμφάνισης ινομυϊκής υπερπλασίας στη φλεβική αναστόμωση. Η διατήρηση της βατότητας των μοσχευμάτων αυτών αποτελεί έναν κλινικό στόχο με μείζονα κοινωνικο-οικονομική σημασία. Ο σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η διερεύνηση του ρόλου των αιμοδυναμικών παραγόντων στην αποτυχία ενός αρτηριοφλεβικού μοσχεύματος και η αξιοποίηση των αποτελεσμάτων της μελέτης προκειμένου να βελτιωθεί η χειρουργική τεχνική και να τελειοποιηθεί η σχεδίαση των μοσχευμάτων.

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Σωκράτης Τσαγγάρης, Καθηγητής

Συμμετέχοντες:

Π. Καραγιαννάκος, Ομότ. Καθηγητής, Δ/ντής Ι.ΙΒ.Ε.Α.Α.

Ν. Στεργιόπουλος, Καθηγητής EPFL- Ελβετία

Δ. Σοκόλης, Ερευνητής, Ι.Κ.Α.Α.

Θ. Μάνος, ΥΔ-Ε.Μ.Π.

Ε. Κρίθαρης, ΥΔ-Ε.Μ.Π.

Α. Γιαγγίνη, Υ.Δ.-Ε.Κ.Π.Α.

Φορέας του έργου:  ΕΜΠ

Χρηματοδότης: ΓΓΕΤ (ΠΕΝΕΔ-03)

Lab. of  Hemodynamics and Cardiovascular Technology E.P.F.L.

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου: 27.12.2005-28.12.2008 (36μήνες)

Μεθοδολογία:

Φάση Α: Βασική έρευνα σχετικά με το ρόλο της αιμοδυναμικής στην ανάπτυξη της ινομυϊκής υπερπλασίας στη φλεβική αναστόμωση των αρτηριοφλεβικών μοσχευμάτων. Η μεθοδολογία που θα χρησιμοποιηθεί θα περιλαμβάνει:

1. Ακριβή χαρτογράφηση της ροής (ταχύτητα, διατμητική τάση, στροβιλισμός) και της κινητικότητας του τοιχώματος στην περιοχή της αναστόμωσης. Αυτό θα γίνει με:

α.   Μετρήσεις της ροής με υψηλής ποιότητας έγχρωμο υπερηχογράφημα.

β.   Υπερηχογραφική παρακολούθηση της κινητικότητας του τοιχώματος.

γ.   Υπολογιστική δυναμική των ρευστών (computational fluid dynamics-CFD) για το λεπτομερές πεδίο ροής, την κατανομή των διατμητικών τάσεων και το στροβιλισμό.

2. Ανάλυση της τοπικής ιστικής αντίδρασης και της ανάπτυξης ινομυϊκής υπερπλασίας με ιστολογική και ανοσοϊστοχημική εξέταση.

3. Ανάλυση των μηχανικών ιδιοτήτων του τοιχώματος της φλέβας in vivo (με βάση την κινητικότητα του τοιχώματος) και in vitro, μετά τη θανάτωση του πειραματόζωου.

4. Εντοπισμός και ποσοτική εκτίμηση της έκφρασης συγκεκριμένων γονιδίων, αγγειοδραστικών ουσιών και της οξειδωτικής δραστηριότητας στην περιοχή των αναστομώσεων.

Φάση Β: Εφαρμοσμένη έρευνα για τη δημιουργία ενός ιδανικού αρτηριοφλεβικού μοσχεύματος. Σκοπός της φάσης αυτής είναι να εξεταστούν οι ενδεχόμενες επιπτώσεις στην βατότητα του μοσχεύματος:

α.   της μη επίπεδης γεωμετρίας της αναστόμωσης μεταξύ μοσχεύματος και φλέβας. Για το σκοπό θα κατασκευαστούν μη επίπεδες αναστομώσεις και θα συγκριθούν τα αποτελέσματά τους με εκείνα των επίπεδων αναστομώσεων του πρώτου μέρους της μελέτης.

β.   της μείωσης της διαφοράς ενδοτικότητας μεταξύ μοσχεύματος και φλέβας. Για το σκοπό αυτό θα τοποθετηθεί εξωτερικό μη διατατό συνθετικό πλέγμα γύρω από την αναστόμωση. Το πλέγμα αυτό θα καταστήσει άκαμπτη ολόκληρη την περιοχή της αναστόμωσης, καταργώντας επομένως τη διαφορά ενδοτικότητας στην περιοχή της αναστόμωσης.

Αποτελέσματα: Υπό εξέλιξη

Δημοσιεύσεις: Δεν υπάρχουν ακόμη 

Μοντελοποίηση, σύνθεση και αναγνώριση φωνής με υπολογιστική αεροδυναμική ανάλυση του ανθρώπινου ηχητικού σωλήνα

Περιοχή έρευνας: Βιορευστομηχανική

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Tα τελευταία 60 έτη η κυριαρχούσα μεθοδολογία (κυρίως λόγω μαθηματικής ευκολίας) για ακουστική μοντελοποίηση του ανθρώπινου συστήματος παραγωγής φωνής χρησιμοποιεί ένα μοντέλο που υποθέτει την μετάδοση ενός 1Δ επίπεδου ακουστικού κύματος στον ηχητικό σωλήνα και καταλήγει στο 1Δ γραμμικό μοντέλο πηγής-φίλτρου (source-filter), το οποίο υποθέτει ότι ο ηχητικός σωλήνας δρα ως γραμμικό παθητικό ακουστικό φίλτρο που διεγείρεται στην είσοδό του από την παροχή όγκου αέρα στην γλωττίδα (ως μόνη ακουστική πηγή) και παράγει την κυματομορφή φωνής στην έξοδό του.  Παρά την εφαρμογή και μερική επιτυχία (χρησιμοποιώντας πολύπλοκα υπολογιστικά συστήματα για να καλυφθούν οι ατέλειες) του γραμμικού μοντέλου σε διάφορες περιοχές της τεχνολογίας φωνής, υπάρχουν ισχυρές θεωρητικές και πειραματικές ενδείξεις  για την ύπαρξη σημαντικών 2Δ και 3Δ αεροδυναμικών και μη-γραμμικών φαινομένων κατά την διάρκεια παραγωγής φωνής τα οποία δεν μπορούν να εξηγηθούν ή να προβλεφθούν από το 1Δ γραμμικό μοντέλο.  Αυτά τα αεροδυναμικά φαινόμενα επηρεάζουν σημαντικά  την γένεση  και δομή των ήχων φωνής.

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Αλέξανδρος Ποταμιάνος, Καθηγητής

Συμμετέχοντες:

Σωκράτης Τσαγγάρης, Καθηγητής

Γιάννης Παπαγεωργακόπουλος

Φορέας του έργου: Πολυτεχνείο Κρήτης

Συνεργαζόμενοι φορείς: Ε.Μ.Π. (Εργαστήριο Βιορευστομηχανικής και Βιοϊατρικής Τεχνολογίας, σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π. και Τομέας Σημάτων, Ελέγχου και Ρομποτικής, σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Ε.Μ.Π.) 

Χρηματοδότης: ΓΓΕΤ

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου: 2005-2008 (36 μήνες)

Μεθοδολογία:

Υπολογιστική αεροδυναμική ανάλυση φωνητικού σωλήνα με εξισώσεις  Navier-Stokes : Την αεροδυναμική ανάλυση της φωνητικής ροής χρησιμοποιώντας μεθόδους της ρευστοδυναμικής και επίλυση των γενικών εξισώσεων Navier-Stokes, χρησιμοποιώντας οριακές συνθήκες με 2Δ και 3Δ γεωμετρίες που να προσομοιάζουν την γεωμετρία του ανθρώπινου ηχητικού σωλήνα κατά την παραγωγή διάφορων κατηγοριών ανθρώπινων ήχων.

Αποτελέσματα: Δεν υπάρχουν ακόμα αποτελέσματα

Δημοσιεύσεις: Δεν υπάρχουν ακόμα

Αεροδυναμική ανάλυση του ανθρώπινου ηχητικού σωλήνα με εξισώσεις Navier-Stokes και συσχετισμός με την παραγωγή φωνής

Περιοχή έρευνας: «Υπολογιστική Βιορευστομηχανική-Ακουστική»

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Οι δραστηριότητες που έλαβαν χώρα στο αναφερόμενο ερευνητικό έργο αφορούσαν, κατά κύριο λόγο, την επίλυση του μονοδιάστατου αεροδυναμικού μοντέλου διάδοσης ηχητικών κυμάτων στον ανθρώπινο φωνητικό σωλήνα. Κατασκευάστηκαν κατάλληλοι υπολογιστικοί κώδικες επίλυσης των μονοδιάστατων εξισώσεων Euler και Navier-Stokes για ροές συμπιεστού ρευστού και στην συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή αποτελεσμάτων σε διάφορες γεωμετρίες.

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Σωκράτης Τσαγγάρης, Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Συμμετέχοντες:

Π. Μαραγκός, Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Δ. Κονταξάκης, Διδάκτωρ Ε.Μ.Π

Ι. Κόκκινος, Διδάκτωρ Ε.Μ.Π.

Θ. Πάππου, Διδάκτωρ Ε.Μ.Π.

Α. Αθανασίου, ιατρός

Φορέας του έργου: Ε.Μ.Π.

Χρηματοδότης: ΕΠΙΣΕΥ-Πρόγραμμα Αρχιμήδης

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου: 1.4.2000-30.3.2002 (24 μήνες)

Μεθοδολογία: Μέθοδοι πεπερασμένων διαφορών και φασματικές μεθοδολογίες

Αποτελέσματα:

Από την διεξαχθείσα συνολική ερευνητική δραστηριότητα προέκυψε το συμπέρασμα ότι οι αριθμητικές μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν, παρήγαγαν ικανοποιητικά αποτελέσματα στην επίλυση του μονοδιάστατου μοντέλου. Το γεγονός αυτό άνοιξε τον δρόμο για την αντιμετώπιση του διδιάστατου προβλήματος, το οποίο είναι ένα βήμα πιο κοντά στην προσομοίωση των φαινομένων που οδηγούν στην παραγωγή και διάδοση ηχητικών κυμάτων στον ανθρώπινο φωνητικό σωλήνα.

Δημοσιεύσεις: Τελική έκθεση

Ανάπτυξη ασθενούς ψευδοφασματικής μεθοδολογίας με εφαρμογή στην υπολογιστική δυναμική των ρευστών και αεροακουστική παλλόμενων ροών

Περιοχή έρευνας: Υπολογιστική Βιορευστομηχανική

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Στην συγκεκριμένη έρευνα, αναπτύχθηκε μία ασθενής ψευδοφασματική μεθοδολογία για την αριθμητική αντιμετώπιση συγκεκριμένων προβλημάτων αρχικών και συνοριακών τιμών. Εφαρμόστηκε με επιτυχία στην επίλυση ελλειπτικών προβλημάτων οριακών τιμών δεύτερης τάξης και σε συνεργασία με κατάλληλες μεθόδους χρονικής ολοκλήρωσης, χρησιμοποιήθηκε στην αντιμετώπιση προβλημάτων αεροδυναμικής και αεροακουστικής ανάλυσης χρονικά μεταβαλλόμενων συνεκτικών ροών.

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Σωκράτης Τσαγγάρης, Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Συμμετέχοντες: Δημήτρης Κονταξάκης

Φορέας του έργου:  ΕΜΠ

Χρηματοδότης: Ε.Μ.Π. –Ι.Κ.Υ

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου: 2001-2004

Μεθοδολογία: Ασθενής ψευδοφασματική μεθοδολογία

Αποτελέσματα: Η συγκεκριμένη έρευνα οδήγησε στην ανάπτυξη μίας αξιόπιστης αριθμητικής μεθόδου υψηλής ακρίβειας για την αποτελεσματική αντιμετώπιση ρευστοδυναμικών και ακουστικών προβλημάτων σε πολύπλοκα χωρία επίλυσης.

Δημοσιεύσεις:

1.D. Kondaxakis, S. Tsangaris, A weak Legendre collocation spectral method for the solution of the incompressible Navier-Stokes equations in unstructured quadrilateral subdomains, J. Comput. Phys. 192 (2003) 124

2. D. Kondaxakis, S. Tsangaris, Pseudospectral solution of linear evolution equations of second order in space and time on unstructured quadrilateral subdomain topologies, J. Comput. Phys. 202 (2005) 533

3. D. Kondaxakis, S. Tsangaris

“Aerodynamic and aeroacoustic analysis of a pulsating internal flow by a multidmain weak collocation spectral method”

Fluid Dynamics Research, 40/5, 311-342, 2008

Υπολογιστική προσομοίωση της ροής αίματος στα επικάρδια στεφανιαία αγγεία

Περιοχή έρευνας: «Υπολογιστική Βιορευστομηχανική»

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Η φυσική εξέλιξη ασθενών με νόσο του στελέχους της αριστερής στεφανιαίας αρτηρίας (ΣΑΣΑ) είναι παρόμοια με αυτή των ασθενών με κεντρική στένωση στον πρόσθιο κατιόντα κλάδο (ΠΚ) και την περισπωμένη στεφανιαία αρτηρία (ΠΣΑ), (ισοδύναμο στελέχους –ΙΣΑΣΑ), των οποίων παρά ταύτα η πρόγνωση είναι ελαφρά ευμενέστερη.  Στην έρευνα αυτή με τη βοήθεια μαθηματικού μοντέλου, αριθμητικής ανάλυσης και Η/Υ υπολογίστηκε η αριστερά στεφανιαία ροή και συγκρίθηκαν αιμοδυναμικά οι δύο ανωτέρω οντότητες. Επίσης στη συνέχεια της έρευνας με χρήση του ίδιου μοντέλου εξετάστηκαν τα πλεονεκτήματα/μειονεκτήματα που έχει η τοποθέτηση δύο απλών παρακαμπτηρίων μοσχευμάτων (single bypass grafts) σε σύγκριση με την τοποθέτηση ενός διαδοχικού μοσχεύματος (sequential bypass grafts).  

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Σωκράτης Τσαγγάρης, Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Συμμετέχοντες:

Κυριάκος Ράμμος, Αναπλ. Καθηγητής Α.Π.Θ.

Θεοδώρα Πάππου, Διδ. Ε.Μ.Π.

Γεώργιος Κούλλιας, Καρδιοχειρουργός

Φορέας του έργου:  Ε.Μ.Π.

Χρηματοδότης: Ε.Μ.Π

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου: 1993-1996

Μεθοδολογία: Το πρόγραμμα του Η/Υ λαμβάνοντας υπόψη ένα αριστερό περικαρδιακό στεφανιαίο σύστημα 16 κλάδων και με την εισαγωγή σ’ αυτό των κατάλληλων κυματομορφών πίεσης στην είσοδό του καθώς και στη έξοδό του εξάγει κυματομορφές πίεσης / ροής για κάθε επιθυμητό σημείο του στεφανιαίου δικτύου, υπολογίζοντας τη μεταβολή της διαμέτρου του αγγείου ανάλογα με την υπάρχουσα ενδοστεφανιαία πίεση και την ελαστικότητα του στεφανιαίου τοιχώματος. Οι στενωτικές περιοχές ήταν μεγέθους 80% και μήκους 1,2 cm στο στέλεχος της ΣΑΣΑ και μεγέθους 80% και μήκους 1,5 cm στην έκφυση του ΠΚ και της ΙΣΑΣΑ. Το μαθηματικό μοντέλο βασίζεται στις ολοκληρωμένες πάνω στη διατομή του αγγείου μονοδιάστατες εξισώσεις συνέχειας και Navier-Stokes καθώς και στις εξισώσεις ελαστικότητας του τοιχώματος του αγγείου. Οι καμπύλες της ενδοστεφανιαίας ροής και πίεσης  υπολογίζονται με αριθμητική επίλυση του παραπάνω συστήματος με χρήση του αριθμητικού σχήματος Lax-Wendroff.

Αποτελέσματα: Η παρουσία στενώσεων προκαλεί και στις δύο περιπτώσεις ισχυρή πτώση πίεσης , διατηρείται όμως η φυσιολογική κυματομορφή της. Η ΣΑΣΑ συνοδεύεται από αναλογικά μεγαλύτερη πτώση πίεσης. Η συνολική ροή προς το αριστερό μυοκάρδιο μειώνεται κατά 52% ενώ στο ΙΣΑΣΑ κατά 44%. Μεταστενωτικά η φυσιολογική διαστολική επικρατούσα ροή αντικαθίσταται από μία κυματομορφή, της οποίας τα μέγιστα σημεία παρατηρούνται κατά τη συστολή και με μέγεθος 20-30% του φυσιολογικού. Η διαστολική ροή στο ΙΣΑΣΑ είναι αν και ίδιας κυματομορφής σταθερά υψηλότερη από την αντίστοιχη του ΣΑΣΑ. Τα ανωτέρω ευρήματα είναι σύμφωνα με τις αντίστοιχες κλινικές παρατηρήσεις. Σχετικά με τη σύγκριση των απλών και διαδοχικών παρακαμπτηρίων μοσχευμάτων (ΠΜ) απεδείχθη ότι μεταστενωτικά η παροχή αίματος είναι υψηλότερη με χρήση διαδοχικών ΠΜ σε σύγκριση με τα απλά ΠΜ.

Δημοσιεύσεις:

1)Rammos K., Koullias G., Pappou Th., Bakas A., Panagopoulos P.G., Tsangaris S.,

“A computer model for the prediction of left epicardial coronary blood flow in normal, stenotic and bypassed coronary artery by single or sequential grafting”

Cardiovascular Surgery, vol. 6/6, pp 635-648,  1998

2) Kούλλιας Γ.Ι., Ράμμος Κ.Σ., Πάππου Θ., Τσαγγάρης Σ., Παναγόπουλος Φ.Γ.,

“Νόσος στελέχους αριστερής στεφανιαίας αρτηρίας-ισοδύναμο στελέχους. Συγκριτική μελέτη με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή”

Ελληνική Καρδιολογική Επιθεώρηση, 36, 518-527, 1995. 

Μελέτη ρευστομηχανικών και αιμοδυναμικών φαινομένων κατά τη λειτουργία τεχνητών οργάνων στο καρδιαγγειακό σύστημα

Περιοχή έρευνας: Βιορευστομηχανική – Αιμοδυναμική – Τεχνητά Όργανα Καρδιαγγειακού Συστήματος

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Ο βασικός στόχος του έργου ήταν η μελέτη της αιμοδυναμικής και ρευστομηχανικής συμπεριφοράς ορισμένων τεχνητών οργάνων υποβοήθησης του καρδιαγγειακού συστήματος, με απώτερο σκοπό την κατανόηση σχετικών βιολογικών και ρευστομηχανικών φαινομένων. Η γνώση και τεκμηρίωση των βιολογικών και μηχανικών φαινομένων που συνδέονται με την αλληλεπίδραση των τεχνητών οργάνων και του κυκλοφορικού συστήματος, οδηγεί στη βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους και συνεπώς στη βελτίωση των κλινικών τους αποτελεσμάτων.

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Σωκράτης Τσαγγάρης, Καθηγητής ΕΜΠ

Συμμετέχοντες:

Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών ΕΜΠ:

Δημήτριος Μαθιουλάκης, Αναπλ. Καθηγητής

Χρήστος Μανόπουλος, Διπλ. Μηχ. Μηχ., M.Sc. Biomedical Eng.

Νικόλαος Νικολαΐδης

Χριστίνα Γεωργαντοπούλου, Διπλ. Μηχ. Μηχ.

Αναστάσιος Λαζόπουλος, , Διπλ. Ναυπηγός. Μηχ.

Χριστίνα Κολυβά

Θεραπευτική Κλινική Ιατρικής Σχολής Πανεπιστημίου Αθηνών:

Θεόδωρος Παπαϊωάννου

Κίμων Σταματελόπουλος

Άννα Δαγρέ

Σταύρος Δράκος

Αργύρης Νταλιάνης

Ελισάβετ Καλδάρα

Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών & Φυσικών Επιστημών ΕΜΠ:

Κωνσταντίνος Λαζόπουλος, Αναπλ. Καθηγητής

Γεώργιος Κάραλης

 
Φορέας του έργου:

-Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου

-Θεραπευτική Κλινική Ιατρικής Σχολής Πανεπιστημίου Αθηνών

-Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών & Φυσικών Επιστημών Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου

Χρηματοδότης: ΓΓΕΤ (ΠΕΝΕΔ ’99 ΕΔ 9)

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου: 1.2.2000-31.7.2001 (18 μήνες)

Μεθοδολογία: Η μελέτη που πραγματοποιήθηκε αφορά στα ακόλουθα τεχνητά όργανα που εφαρμόζονται για την υποστήριξη του καρδιαγγειακού συστήματος:

1) Ενδοαορτική αντλία αντιώθησης,

2) Περισταλτικές αντλίες (εξωσωματική κυκλοφορία),

3) Αντλίες μεμβράνης (π.χ. τεχνητές «αριστερές κοιλίες»),

4) Τεχνητές – βιολογικές βαλβίδες.

Μελετήθηκαν σε ρευστομηχανικό και αιμοδυναμικό επίπεδο και οι τέσσερις παραπάνω μηχανισμοί, καλύπτοντας έτσι το μεγαλύτερο μέρος των εν χρήσει συστημάτων υποβοήθησης του καρδιαγγειακού συστήματος. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε θεωρητικό (υπολογιστικό), πειραματικό και κλινικό επίπεδο ανάλογα με την περίπτωση.

Αποτελέσματα:

Σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένα πειραματικό μοντέλο της συστηματικής κυκλοφορίας.

Πραγματοποιήθηκε πειραματική μελέτη της απόδοσης της ενδοαορτικής αντλίας αντιώθησης κάτω από συνθήκες διαφορετικής αρτηριακής ενδοτικότητας, πίεσης και καρδιακής συχνότητας.

Αποδείχθηκε ότι σε περιπτώσεις μειωμένης αρτηριακής ενδοτικότητας η ενδοαορτική αντλία είχε καλύτερη αιμοδυναμική ανταπόκριση.

Τόσο τα θεωρητικά όσο και τα πειραματικά μοντέλα καταφέρνουν να προσομοιάσουν τον περισταλτικό αντλητικό μηχανισμό, αρχή στην οποία βασίζονται οι αντλίες έγχυσης φαρμάκων, παρεντερικής διατροφής, καθώς και η αντλία ενδοαορτικού μπαλονιού που χρησιμοποιείται για την υποβοήθηση της καρδιάς.

Καταγράφηκαν για μια περισταλτική αντλία στρεφόμενου έκκεντρου η στατική πίεση στην αναρρόφηση, στην κατάθλιψή της, καθώς και η παροχή συναρτήσει του χρόνου. Από τα μεγέθη αυτά προέκυψαν οι χαρακτηριστικές καμπύλες της αντλίας για διάφορες ταχύτητες περιστροφής του άξονά της και για διάφορα μεγέθη συμπίεσης του ελαστικού σωλήνα.

Έγινε πειραματική μελέτη τεχνητής βαλβίδας, η οποία όταν είναι κλειστή εμφανίζονται δυο κυρίως δίνες αντίθετης φοράς κυκλοφορίας στο επίπεδο το κάθετο προς τη σχισμή της. Κατά το άνοιγμά της η ροή παρουσιάζει ένα ελάχιστο στον άξονα της βαλβίδας και δύο μέγιστα εκατέρωθεν αυτού. Επιπλέον αναπτύχθηκε κώδικας υπολογισμού ταχυτήτων, πιέσεων, τάσεων και στροβιλότητας, σε διάφορα σημεία μιας αορτικής προσθετικής βαλβίδας.

Έγινε θεωρητική μελέτη των καρδιακών βαλβίδων με χρήση πεπερασμένων στοιχείων. Εντοπίστηκαν λεπτομερώς οι θέσεις των μεγαλύτερων καταπονήσεων των γλωχίνων της αορτικής βαλβίδας, καθώς επίσης και οι θέσεις ανάπτυξης των ακρότατων τάσεων ορθών και διατμητικών.

Δημοσιεύσεις:

1.Ch. G. Manopoulos, D. Mathioulakis, S. Tsangaris, Theoretical and experimental study of non-linear pumping effects in the peripheral vessels, based on the concept of valveless pumps, 4th Euromech Fluid Mechanics Conference (poster session: BFM), Book of abstracts p.:233, 19-23 November 2000, Eindhoven University of Technology, The Netherlands.

2.Ch. G. Manopoulos, D. Mathioulakis, S. Tsangaris, Theoretical and experimental study of non-linear pumping effects of a Balloon Pump, based on the concept of valveless pumping, Proc. of the 2nd European Symposium and 3rd TEMPERE Workshop in Biomedical Engineering & Medical Physics (poster session: Biomedical Engineering), p.:BME1, 6-8 October 2000, Patras, Greece.

3.N. M. Νικολαΐδης, Δ. Σ. Μαθιουλάκης, Μελέτη μη μόνιμης ροής σε διακλάδωση 90ο με την μέθοδο PIV, 2η Ημερίδα: Ερευνητικές Δραστηριότητες στα Φαινόμενα Ροής Ρευστών στην Ελλάδα, 22 Μαΐου 2000, Αμφιθέατρο Μηχανολόγων – Πεδίον Άρεως Βόλος.

4.Ν. M. Nikolaidis, D. S. Mathioulakis, Study of unsteady flow in a 90 degree bifurcation using P.I.V., Proc. of the 12th Conference of the European Society of Biomechanics, p.: 438, 28-30 August 2000, Trinity College, Dublin.

5.Th. Papaioannou, D. Mathioulakis, S. Stamatelopoulos, S. Tsangaris, Effect of arterial compliance on blood flow during counterpulsation with intra-aortic balloon pump: Numerical and in-vitro model, Proc. of the 12th Conference of the European Society of Biomechanics, p.: 268, 28-30 August 2000, Trinity College, Dublin.

6.Th. Papaioannou, A. Dagre, J. Lekakis, J. Nanas, J. Kanakakis, K. Stamatelopoulos, E. Gialafos, J. Terrovitis, D. Mathioulakis, S. Tsangaris, S. Stamatelopoulos, S. Moulopoulos, The effect of arterial compliance on the hemodynamic effectiveness of intraaortic balloon pumping, Book of Abstracts of the 1st World Conference on Intraaortic Balloon Counterpulsation, 31 August – 2 September 2000, Hilton Hotel, Athens, Greece.

7.Θ. Παπαϊωάννου, Δ. Μαθιουλάκης, Σ. Σταματελόπουλος, Ι. Νάνας, Σ. Τσαγγάρης, In vitro μελέτη της απόδοσης της ενδοαορτικής αντλίας αντιωθήσεως σε σύστημα προσομοίωσης της αρτηριακής κυκλοφορίας, Πρακτικά 2ου Πανελλήνιου Συνεδρίου Βιοϊατρικής Τεχνολογίας, σελ.: 126-130, 5-6 Νοεμβρίου 1999, ΕΛ.Ε.ΒΙ.Τ., Ξενοδοχείο Caravel, Αθήνα.

8.Ch. G. Manopoulos, Th. Pappou, D. Mathioulakis, S. Tsangaris, Theoretical models and an experimental study of valveless pumping in the circulatory system, XVIIIth Congress of the (ISB) Internationnal Society of Biomechanics, (poster session: Biofluid Mechanics, 743), book of abstracts p.:335, 8-13 July 2001, Swiss Federal Institute of Technology, Zurich,  Switzerland.

9.Θ. Παπαϊωάννου, Α. Δαγρέ, Ι. Λεκάκης, Ι. Νάνας, Ι. Κανακάκης, Κ. Σταματελόπουλος, Η. Γιαλάφος, Ι. Τερροβίτης, Δ. Μαθιουλάκης, Σ. Τσαγγάρης, Σ. Σταματελόπουλος, Σ. Μουλόπουλος, Η επίδραση της αρτηριακής ενδοτικότητας στην απόδοση της ενδοαορτικής αντλίας αντιώθησης, Τόμος 41/292 (περιλήψεων) 21ου Πανελλήνιου Καρδιολογικού Συνεδρίου, 2-4 Νοεμβρίου 2000, Ξενοδοχείο Χίλτον, Αθήνα.

10.T.G. Papaioannou, D.S. Mathioulakis, J.N. Nanas, S.G. Tsangaris, S.F. Stamatelopoulos, S.D. Moulopoulos, Arterial compliance is a main variable determining the effectiveness of intra-aortic balloon counterpulsation: quantitative data from an in vitro study, Medical Engineering and Physics, Vol.: 24 (4), pp. 279-284(6), 2002.

11.TG Papaioannou, JP Lekakis, AG Dagre, KS Stamatelopoulos, J Terrovitis, EJ Gialafos, J Kanakakis, J Nanas, SF Stamatelopoulos, S Moulopoulos, Arterial compliance is an independent factor predicting acute hemodynamic performance of intra-aortic balloon counterpulsation, Int J Artif Organs, Vol.: 24 (7), pp: 478-483, 2001.

Μόνιμη και μη ροή (βιολογικών) ασυμπίεστων ρευστών σε αγωγούς με εύκαμπτα τοιχώματα

Περιοχή έρευνας: «Πειραματική & Υπολογιστική Βιορευστομηχανική

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Σκοπός του ερευνητικού έργου είναι:

i) Η ανάπτυξη αριθμητικής μεθοδολογίας για τη μελέτη της ροής ασυμπίεστου συνεκτικού ρευστού σε αξονοσυμμετρικούς αγωγούς των οποίων το τοίχωμα είναι εύκαμπτο. Έγινε κατάλληλη μοντελοποίηση της διατμητικής τάσης που αναπτύσσεται στο τοίχωμα του εύκαμπτου αγωγού συναρτήσει της ταχύτητας και επιτάχυνσης του ρευστού που περιέχεται στον αγωγό. Κατασκευάστηκαν κατάλληλοι υπολογιστικοί κώδικες επίλυσης των μονοδιάστατων αλλά και διδιάστατων εξισώσεων Navier-Stokes για ροές ασυμπίεστου ρευστού και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή αποτελεσμάτων σε διάφορες γεωμετρίες, καθώς και για την περιγραφή της ροής του αίματος στο κυκλοφορικό σύστημα εμβρύων κατά τις πρώτες εβδομάδες κυήσεως.

ii) Η πειραματική διερεύνηση μη μόνιμης ροής ρευστού σε εύκαμπτους αγωγούς, μέσα από διατάξεις κλειστού βρόγχου σωλήνων για τη μελέτη του φαινομένου άντλησης χωρίς βαλβίδες καθώς και περισταλτικών αντλιών σωλήνων σιλικόνης.

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Σωκράτης Τσαγγάρης, Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Συμμετέχοντες:

Δημήτριος Μαθιουλάκης, Αναπλ. Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Χρήστος Μανόπουλος

Θεοδώρα Πάππου

Σωκράτης Βραχλιώτης

Μαρίκα Πηλού

Φορέας του έργου:  Ε.Μ.Π.

Χρηματοδότης: Ε.Μ.Π. & Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών (μερικώς)

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου: 2001-2006

Μεθοδολογία: Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε όσο αφορά το μαθηματικό μοντέλο βασίζεται:

 i) Στις ολοκληρωμένες πάνω στη διατομή του αγγείου μονοδιάστατες εξισώσεις συνέχειας και Navier-Stokes καθώς και στις εξισώσεις ελαστικότητας του τοιχώματος του αγγείου. Οι συναρτήσεις παροχής και πίεσης  υπολογίζονται με αριθμητική επίλυση του παραπάνω συστήματος εξισώσεων με χρήση των αριθμητικών σχημάτων Lax-Wendroff, MacCormack και Dispersion Relation Preserving.

ii) Στις εξισώσεις Navier-Stokes σε 2 διαστάσεις κυλινδρικών συντεταγμένων, οι οποίες επιλύονται αριθμητικά με τη μέθοδο Διαχωρισμού Συναγωγικών Μητρώων (Flux Vector Splitting).

Για τη πειραματική διερεύνηση σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν τρεις πειραματικές διατάξεις: i) συγκοινωνούντων δοχείων μέσω αντλίας μπαλονιού, ii) κλειστού βρόγχου ενός εύκαμπτου και ενός στερεού σωλήνα και iii) πρωτότυπης δίχρονης περισταλτικής αντλίας εύκαμπτου σωλήνα

Αποτελέσματα:

Για το μονοδιάστατο σύστημα εξισώσεων εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στην Υπολογιστική Βιορευστομηχανική μια αξιόπιστη δανεισμένη από την Αεροακουστική αριθμητική μέθοδος 4ης τάξης ακριβείας στο χώρο και στο χρόνο, τα αποτελέσματα της οποίας αποδείχθηκαν πιο ακριβή σε σχέση με μεθοδολογίες 2ης  τάξης ακριβείας αλλά και συνεπή συγκρινόμενα με πειραματικά της βιβλιογραφίας. Η μονοδιάστατη ανάλυση πλεονεκτεί έναντι της διδιάστατης στις περιπτώσεις ισχυρής συρρίκνωσης του πλέγματος, όπως συμβαίνει στο φαινόμενο valveless pumping και στη ροή μέσα από collapsible tubes.

Στη περίπτωση του κλειστού βρόγχου ενός εύκαμπτου και ενός στερεού σωλήνα η μονοδιάστατη ανάλυση δείχνει ότι η άντληση χωρίς βαλβίδες είναι αποδοτική μόνο για μεγάλους αριθμούς Strouhal ή Womersley και υψηλά ποσοστά συμπίεσης του εύκαμπτου αγωγού. Η συνάρτηση της μέσης παροχής παρουσιάζει έναν αριθμό ακρότατων που εξαρτάται από το βαθμό συμπίεσης του εύκαμπτου αγωγού και τους αδιάστατους αριθμούς Strouhal και Womersley. Τα αποτελέσματα αυτού του μοντέλου προσεγγίζουν ποιοτικά τα πειραματικά ευρήματα του Bredow (1968). Δηλαδή μεταβάλλοντας τον αδιάστατο αριθμό Strouhal, η κατεύθυνση της ροής δεν αλλάζει τόσο συχνά και με χαοτικό τρόπο, όπως παρουσιάζεται στην πρόσφατη βιβλιογραφία, αλλά πιο αργά και ομαλά.

Προσαρμόζοντας κατάλληλα το μοντέλο ώστε να περιγράφει τη ροή του αίματος στο κυκλοφορικό σύστημα ενός εμβρύου κατά τις πρώτες εβδομάδες κυήσεως παρατηρείται ότι η μέση χρονική παροχή είναι μια αυξανόμενη συνάρτηση του εμβρυϊκού καρδιακού ρυθμού για όλους τους βαθμούς καρδιακής συστολής που εξετάσθηκαν. Επιβεβαιώνεται η μη μηδενική μέση χρονική παροχή του αίματος προς μια κατεύθυνση διαμέσου του πρωταρχικού κυκλοφορικού συστήματος που υπάρχει στο έμβρυο, παρόλη την απουσία οποιουδήποτε είδους βαλβίδων. Για ένα δοσμένο εμβρυϊκό καρδιακό ρυθμό, όσο υψηλότερος είναι ο καρδιακός βαθμός συστολής του αρχέγονου καρδιακού σωλήνα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάπτυξη μη μηδενικής μέσης χρονικής παροχής. Η αιτία της δημιουργίας μη μηδενικής μέσης χρονικής παροχής οφείλεται σε ασυμμετρίες του πρωταρχικού κυκλοφορικού συστήματος του εμβρύου, λόγω διαφορετικών διαμέτρων και μηκών ανάμεσα στο αρτηριακό και φλεβικό σύστημα, ύπαρξης ισχυρών τοπικών υδραυλικών αντιστάσεων των τριχοειδών αγγείων, ασύμμετρης διέγερσης του αρχέγονου καρδιακού σωλήνα.

Για τη πειραματική διάταξη των συγκοινωνούντων δοχείων μέσω αντλίας μπαλονιού διαπιστώθηκε ότι το μπαλόνι λειτουργεί σαν αντλία αρχικά κατά τη διάρκεια της μεταβατικής περιόδου μόνο αν υπάρχουν ασυμμετρίες των υδραυλικών απωλειών  μεταξύ κάποιου δοχείου και της αντίστοιχης πλευράς του μπαλονιού. Οι παράμετροι που επηρεάζουν την τελική υψομετρική διαφορά των ελεύθερων επιφανειών στα δύο δοχεία είναι η συχνότητα ταλάντωσης του μπαλονιού, το κλείσιμο της βαλβίδας που υπάρχει πριν το δοχείο, τα αρχικά βάθη ρευστού των δοχείων. Παρατηρήθηκε ότι η μέση ελεύθερη επιφάνεια του ενός δοχείου γίνεται υψηλότερη, καθώς το κλείσιμο της βαλβίδας στο άλλο δοχείο μεγαλώνει. Σε αυτή τη περίπτωση η μεταβατική περίοδος αυξάνει επίσης. Για δεδομένο κλείσιμο βαλβίδας του δοχείου, αύξηση της συχνότητας διέγερσης του μπαλονιού, συνεπάγεται αύξηση της υψομετρικής διαφοράς μεταξύ των ελεύθερων επιφανειών ρευστού στα δύο δοχεία.

Για την πειραματική διάταξη κλειστού βρόγχου ενός εύκαμπτου και ενός στερεού σωλήνα και αυτήν της πρωτότυπης δίχρονης περισταλτικής αντλίας εύκαμπτου σωλήνα, τα πειράματα βρίσκονται σε εξέλιξη και αναμένονται αποτελέσματα.

Δημοσιεύσεις:

1.Ch. G. Manopoulos, S. Tsangaris, Numerical modelling of pumping phenomena through distensible tubes, Proc. of the 3rd National Congress on Computational Mechanics (Fluid Mechanics II), Vol.II, p.: 741-748, GR.A.C.M., Volos, 24-26 June 1999.

2.Ch. G. Manopoulos, S. Tsangaris, One-dimensional Numerical Study of Pumping Phenomena through Distensible Tubes: A Non-linear Model, Proc. of the 1st Interdisciplinary Symposium on Non-linear Problems, p.:229-238, National Technical University of Athens, Athens, Greece, 21-22 January 2000.

3.Ch. G. Manopoulos, D. Mathioulakis, S. Tsangaris, Theoretical and experimental study of valveless pumping through impedance induced flow system of tubes formed in a closed loop, 3rd European Symposium on Biomedical Engineering and Medical Physics (poster session: Bio-Optics & Biomechanics), Book of abstracts p.:6, Patras, Greece, 27 August - 1 September 2002.

4.Χ. Γ. Μανόπουλος, Δ. Μαθιουλάκης, Σ. Τσαγγάρης, Θεωρητική και πειραματική μελέτη του αντλητικού μηχανισμού χωρίς βαλβίδες στο κυκλοφορικό σύστημα, 3η Συνάντηση «ΡΟΗ 2002» Ερευνητικές Δραστηριότητες στα Φαινόμενα Ροής Ρευστών στην Ελλάδα, πρακτικά σελ.: 83-90, Συνεδριακό Κέντρο Πανεπιστημίου Πατρών, 2 -3 Οκτωβρίου 2002.

5.S. Tsangaris, Ch. G. Manopoulos, Th. Pappou and S. Vrahliotis, Valveless pumping modelling in physiology, EUROMECH Colloquium N° 456, Experimental and Computational Biofluid Mechanics (Session Biological Flow), RWTH Aachen, Aachen, Germany, 4 – 5 October 2004 .

6.Χ. Γ. Μανόπουλος, Σ. Βραχλιώτης, Θ. Πάππου, Δ. Μαθιουλάκης, Σ. Τσαγγάρης, Μοντελοποίηση άντλησης χωρίς βαλβίδες στη φυσιολογία, 4η Επιστημονική Συνάντηση «ΡΟΗ 2004» Πρόσφατες ερευνητικές δραστηριότητες στη μηχανική των ρευστών στον ελληνικό χώρο, (Β2 Υπολογιστική Ρευστομηχανική), πρακτικά, σελ.: 212-219, Ε.Μ.Π., 26 Νοεμβρίου 2004.

7.Ch. G. Manopoulos and S. Tsangaris, Modelling of the Blood Flow Circulation in the Human Foetus by the End of the Third Week of Gestation, Cardiovascular Engineering: An International Journal, Vol. 5, No. 1, p. 29-35, March 2005.

8.M. Pilou, Ch. Manopoulos, D. S. Mathioulakis & S.Tsangaris, Experimental study of valveless pumping in a closed loop configuration, IASME Transactions (ISSN: 1790-031X), Vol.: 2, Issue 6, pp.: 1019-1023, Corfu, Greece, 20-22 August 2005.

9.Ch. G. Manopoulos, D. S. Mathioulakis, S. G. Tsangaris, One-dimensional model of valveless pumping in a closed loop and a numerical solution, Physics of Fluids, 18, 017106, January 2006.