ГІДРОДИНАМІКА І АКУСТИКА

2018 ◊ Том 1 (91) ◊ Номер 1 с. 7-32

В. А. Воскобійник*, О. А. Воскобойник*, А. В. Воскобійник*, Ф. Лукеріні**, А. Редаеллі**, Л. М. Терещенко*, Б. Фіоре**

* Інститут гідромеханіки НАН України, Київ, Україна
** Міланський політехнічний інститут, Італія

Струминна течія та шум відкритого механічного двостулкового серцевого клапана

Gidrodin. akust. 2018, 1(1):07-32

https://doi.org/10.15407/jha2018.01.007

МОВА ТЕКСТУ: Російська

АНОТАЦІЯ

Наведено результати експериментальних досліджень гідродинамічного шуму, генерованого струминною течією через механічний двопелюстковий протез мітрального клапана італійської компанії Sorin Group. Фізичне моделювання проведено в лабораторних умовах на моделі камери лівого передсердя та камери лівого шлуночка серця. Визначено, що найбільша інтенсивність гідродинамічного шуму і його спектральних складових спостерігається поблизу центрального струменя двопелюсткового мітрального клапана. Встановлено, що дрібномасштабні вихрові структури, які відриваються від його пелюсток і генерують пульсації тиску у діапазоні частот (20...70) Гц, вироджуються, починаючи з відстані 2.5d униз за течією. Зі збільшенням витрати води у ближньому сліді мітрального клапана спостерігається підвищення спектральних рівнів пульсацій тиску в діапазоні частот (60...80) Гц.

КЛЮЧОВІ СЛОВА

струминна течія, гідродинамічний шум, мітральний клапан, пульсації тиску, спектральна щільність потужності

ЛІТЕРАТУРА

  1. Pibarot P., Dumesnil J. G. Prosthetic heart valves: Selection of the optimal prosthesis and long-term management // Circulation. - 2009. - Vol. 119, no. 7. - P. 1034-1048.
  2. Turbulence characteristics downstream of a new trileaflet mechanical heart valve / C.-P. Li, S.-F. Chen, C.-W. Lo, P.-C. Lu // ASAIO Journal. - 2011. - Vol. 57, no. 3. - P. 188-196.
  3. A numerical investigation of blood damage in the hinge area of aortic bileaflet mechanical heart valves during the leakage phase / B. M. Yun, J. Wu, H. A. Simon et al. // Annals of Biomedical Engineering. - 2012. - Vol. 40, no. 6. - P. 1211-1225.
  4. Dynamic and fluid-structure interaction simulations of bioprosthetic heart valves using parametric design with T-splines and Fung-type material models / M. C. Hsu, D. Kamensky, F. Xu et al. // Computational Mechanics. - 2015. - Vol. 55, no. 6. - P. 1211-1225.
  5. Siddiqui R. F., Abraham J. R., Butany J. Bioprosthetic heart valves: Modes of failure // Histopathology. - 2009. - Vol. 55, no. 2. - P. 135-144.
  6. Emerging trends in heart valve engineering: Part II. Novel and standard technologies for aortic valve replacement / A. Kheradvar, E. M. Groves, C. J. Goergen et al. // Annals of Biomedical Engineering. - 2014. - Vol. 43, no. 4. - P. 1-13.
  7. Rahimtoola S. H. Choice of prosthetic heart valve in adults an update // Journal of the American College of Cardiology. - 2010. - Vol. 55, no. 10. - P. 2413-2426.
  8. Fabrication of elastomeric scaffolds with curvilinear fibrous structures for heart valve leaflet engineering / C. M. Hobson, N. J. Amoroso, R. Amini et al. // Journal of Biomedical Materials Research. Part A. - 2015. - Vol. 103, no. 9. - P. 3101-3106.
  9. Emerging trends in heart valve engineering: Part III. Novel technologies for mitral valve repair and replacement / A. Kheradvar, E. M. Groves, C. A. Simmons et al. // Annals of Biomedical Engineering. - 2014. - Vol. 43, no. 5. - P. 1-13.
  10. Dumesnil J. G., Pibarot P. Valvular heart disease: Changing concepts in disease management // Circulation. - 2009. - Vol. 119, no. 9. - P. 1345-1359.
  11. Transient, three-dimensional flow field simulation through a mechanical, trileaflet heart valve prosthesis / T. A. Kaufmann, T. Linde, E. Cuenca-Navalon et al. // ASAIO Journal. - 2011. - Vol. 57, no. 5. - P. 278-282.
  12. In-vivo experience with the triflo trileaflet mechanical heart valve / R. P. Gallegos, A. L. Rivard, P. T. Suwan et al. // Journal of Heart Valve Disease. - 2006. - Vol. 15, no. 8. - P. 791-799.
  13. Blood compatibility of a newly developed trileaflet mechanical heart valve / M. Sato, H. Harasaki, K. E. Wika et al. // ASAIO Journal. - 2003. - Vol. 49, no. 2. - P. 117-122.
  14. Transient fluid–structure coupling for simulation of a trileaflet heart valve using weak coupling / Y. S. Morsi, W. W. Yang, C. S. Wong, S. Das // Journal of Artificial Organs. - 2007. - Vol. 10, no. 2. - P. 96-103.
  15. Prospective multicenter evaluation of the direct flow medical transcatheter aortic valve / J. Schofer, A. Colombo, S. Klugmann et al. // Journal of the American College of Cardiology. - 2014. - Vol. 63, no. 7. - P. 763-768.
  16. Transcatheter aortic valve replacement with the st. Jude medical portico valve first in-human experience / A. B. Willson, J. Rodes-Cabau, D. A. Wood et al. // Journal of the American College of Cardiology. - 2012. - Vol. 60, no. 5. - P. 581-586.
  17. Фармакохолодовая кардиоплегия при изолированном протезировании аортального клапана / В. В. Попов, А. Н. Гуртовенко, А. А. Третьяк и др. // Вісник серцево-судинної хірургії. - 2015. - Т. 39. - С. 161-167.
  18. Design optimization of a mechanical heart valve for reducing valve thrombogenicity / Y. Alemu, G. Girdhar, M. Xenos et al. // ASAIO Journal. - 2010. - Vol. 56, no. 4. - P. 389-396.
  19. Fluid mechanics of artificial heart valves / L. P. Dasi, H. A. Simon, P. Sucosky, A. P. Yoganathan // Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology. - 2009. - Vol. 36, no. 2. - P. 225-237.
  20. Yin W., Ngwe E. C., Rubenstein D. A. A biocompatible flow chamber to study the hemodynamic performance of prosthetic heart valves // ASAIO Journal. - 2012. - Vol. 58, no. 5. - P. 470-480.
  21. Numerical investigation of the effects of channel geometry on platelet activation and blood damage / J. Wu, B. M. Yun, A. M. Fallon et al. // Annals of Biomedical Engineering. - 2011. - Vol. 39, no. 8. - P. 897-910.
  22. Falahapisheh A., Kheradvar A. High-speed particle image velocimetry to assess cardiac fluid dynamics in vitro: From performance to validation // European Journal of Mechanics - B/Fluids. - 2012. - Vol. 35, no. 1. - P. 2-8.
  23. Forleo M., Dasi L. P. Effect of hypertension on the closing dynamics and lagrangian blood damage index measure of the b-datum regurgitant jet in a bileaflet mechanical heart valve // Annals of Biomedical Engineering. - 2014. - Vol. 42, no. 1. - P. 110-122.
  24. Jun B. H., Saikrishnan N., Yoganathan A. P. Micro particle image velocimetry measurements of steady diastolic leakage flow in the hinge of a st. Jude medical ((r)) regent mechanical heart valve // Annals of Biomedical Engineering. - 2014. - Vol. 42, no. 5. - P. 526-540.
  25. Emerging trends in heart valve engineering: Part IV. Computational modeling and experimental studies / A. Kheradvar, E. M. Groves, A. Falahatpisheh et al. // Annals of Biomedical Engineering. - 2015. - Vol. 44, no. 5. - P. 1-19.
  26. Weinberg E. J., Kaazempur-Mofrad M. R. On the constitutive models for heart valve leaflet mechanics // Cardiovascular Engineering. - 2005. - Vol. 5, no. 1. - P. 37-43.
  27. The effects of positioning of transcatheter aortic valves on fluid dynamics of the aortic root / E. M. Groves, A. Falahatpisheh, J. L. Su, A. Kheradvar // ASAIO Journal. - 2014. - Vol. 60, no. 5. - P. 545-552.
  28. An in vitro study of changing profile heights in mitral bioprostheses and their influence on flow / A. Kheradvar, J. Kasalko, D. Johnson, M. Gharib // ASAIO Journal. - 2006. - Vol. 52, no. 1. - P. 34-38.
  29. Design of a pulsatile flow facility to evaluate thrombogenic potential of implantable cardiac devices / S. Arjunon, P. H. Ardana, N. Saikrishnan et al. // Journal of Biomechanical Engineering. - 2015. - Vol. 137, no. 4. - P. 045001(1-12).
  30. Baranny O., Oshkai P. The influence of the aortic root geometry on flow characteristics of a prosthetic heart valve // Journal of Biomechanical Engineering. - 2015. - Vol. 137, no. 5. - P. 051005(1-10).
  31. A low-volume tester for the thrombogenic potential of mechanical heart valve prostheses / T. Linde, K. Hamilton, D. L. Timms et al. // Journal of Heart Valve Disease. - 2011. - Vol. 20, no. 5. - P. 510-517.
  32. A novel passive left heart platform for device testing and research / A. M. Leopaldi, R. Vismara, S. van Tuijl et al. // Medical Engineering and Physics. - 2015. - Vol. 37, no. 3. - P. 361-366.
  33. In vitro assessment of mitral valve function in cyclically pressurized porcine hearts / R. Vismara, A. M. Leopaldi, M. Piola et al. // Medical Engineering and Physics. - 2016. - Vol. 38, no. 3. - P. 346-353.
  34. Falahatpisheh A., Pedrizzetti G., Kheradvar A. Three-dimensional reconstruction of cardiac flows based on multi-planar velocity fields // Experiments in Fluids. - 2014. - Vol. 55, no. 1. - P. 1-15.
  35. Innovative technologies for the assessment of cardiovascular medical devices: State-of-the-art techniques for artificial heart valve testing / M. Grigioni, C. Daniele, G. D’Avenio et al. // Expert Review of Medical Devices. - 2004. - Vol. 1, no. 2. - P. 81-93.
  36. Инструментальные методы исследования сердечно-сосудистой системы: Справочник / Под ред. Т. С. Виноградовой. - М. : Медицина, 1986. - 487 с.
  37. Вовк И. В., Гринченко В. Т., Макаренков А. П. Акустика дыхания и сердечной деятельности // Акустичний вісник. - 2011. - Т. 14, № 1. - С. 3-19.
  38. Stein P. D. A physical and physiological basis for the interpretation of cardiac auscultation. - New York : Future Publishing, 1981. - 288 p.
  39. Касоев С. Г. О гидродинамической природе шумов сердечно-сосудистой системы // Труды ИОФАН. - 2012. - Т. 68. - С. 200-217.
  40. Гипотеза гидроакустической функции сердца и кровообращения / Е. Е. Литасова, А. М. Караськов, Е. Н. Мешалкин, А. Е. Бакарев // Патология кровообращения и кардиохирургия. - 2010. - № 1. - С. 64-69.
  41. Candy J. V., Jones H. E. Processing of prosthetic heart valve sounds for single leg separation classification // Journal of the Acoustical Society of America. - 1995. - Vol. 97, no. 6. - P. 3663-3673.
  42. Candy J. V., Jones H. E. Classification of prosthetic heart valve sounds: A parametric approach // Journal of the Acoustical Society of America. - 1995. - Vol. 97, no. 6. - P. 3675-3687.
  43. Хольдак К., Вольф Д. Атлас и руководство по фонокардиографии и смежным механографическим методам исследования. - М. : Медицина, 1964. - 260 с.
  44. Fifteen years of clinical and echocardiographic follow up with the carbomedics heart valve / M. Carrier, M. Pellerin, A. Basmadjian et al. // Journal of Heart Valve Disease. - 2006. - Vol. 15, no. 1. - P. 67-83.
  45. Experimental and numerical study of the noise generation in an outow buttery valve / M. Charlebois-Menard, M. Sanjose, A. Marsan et al. // AIAA Paper. - 2015. - no. 3123. - P. 1-21.
  46. A pulsatile simulator for the in vitro analysis of the mitral valve with tri-axial papillary muscle displacement / R. Vismara, A. Pavesi, E. Votta et al. // International Journal of Artificial Organs. - 2011. - Vol. 34, no. 4. - P. 383-391.
  47. Hydroacoustics of the prosthetic bileaflet mitral valve / A. Voskoboinick, A. Redaelli, V. Voskoboinick et al. // Proceedings 3rd EUMLS Conference "Mathematics for Life Sciences". - Rivne, Ukraine, 2015. - P. 49.
  48. Bendat J. S., Piersol A. G. Random data: Analysis and measurement procedures. - New York : Wiley, 1971. - 407 p.
  49. Voskoboinick V., Kornev N., Turnow J. Study of near wall coherent flow structures on dimpled surfaces using unsteady pressure measurements // Flow, Turbulence and Combustion. - 2013. - Vol. 90, no. 4. - P. 709-722.
  50. Spectral and correlation characteristics of the turbulent boundary layer on an extended flexible cylinder / G. P. Vinogradnyi, V. A. Voskoboinick, V. T. Grinchenko, A. P. Makarenkov // Journal of Fluid Dynamics. - 1989. - Vol. 24, no. 5. - P. 695-700.
  51. Voskoboinick V. A., Makarenkov A. P. Spectral characteristics of the hydrodynamical noise in a longitudinal flow around a flexible cylinder // International Journal of Fluid Mechanics Research. - 2004. - Vol. 31, no. 1. - P. 87-100.