Ignorar o profundo impacto do forte acoplamento bidirecional na interação fluido-estrutura (FSI) entre as válvulas cardíacas protéticas e o sangue durante o processo de design resultará em projetos de válvulas abaixo do ideal e pode, em última análise, levar à insuficiência cardíaca.
Felizmente, o Simcenter STAR-CCM+ oferece todas as ferramentas necessárias para projetar a máxima longevidade e segurança de qualquer tipo de válvula.
35 milhões de batidas por ano
Seu coração bate incansavelmente aproximadamente 100.000 vezes por dia, totalizando impressionantes 35 milhões de batimentos em um ano. A cada batimento, suas válvulas cardíacas abrem e fecham diligentemente, facilitando a tarefa vital de bombear sangue através de suas artérias. Servindo como entradas ou saídas unidirecionais do músculo cardíaco para o ventrículo, essas válvulas impedem o fluxo reverso do sangue. Mas e se um dia houver uma falha nesse mecanismo?
Infelizmente, às vezes, mesmo independentemente de quanto alguém cuida, a realidade para alguns é que seu coração pode, um dia, simplesmente não estar mais funcionando como deveria: a válvula aórtica tem dois modos básicos de falha chamados Estenose e Insuficiência. Estenose descreve o estreitamento do orifício da válvula devido à excursão reduzida do folheto e à abertura da válvula, restringindo o fluxo de sangue na direção do fluxo.
Insuficiência descreve a incapacidade da válvula de fechar rápido o suficiente, criando vazamento de sangue contra a direção do fluxo. Ambos os modos de falha aumentarão amplamente a carga de trabalho no coração e, finalmente, levarão à insuficiência cardíaca.
A válvula cardíaca trifolhetada
E assim, infelizmente, algumas pessoas enfrentam problemas com suas válvulas naturais, levando à necessidade de substituí-las por próteses. Considerando a extraordinária carga de trabalho do coração de mais de 35 milhões de ciclos anualmente, o design cuidadoso e preciso dessas válvulas cardíacas protéticas de trifolheto não é apenas importante, mas crítico.
É por isso que hoje demonstrarei como as simulações de interação fluido-estrutura (FSI) podem auxiliar engenheiros no projeto de válvulas cardíacas protéticas (PHV) mais seguras e duradouras e orientá-lo sobre os efeitos que uma abordagem multifísica terá no aprimoramento da precisão e confiabilidade das simulações de válvulas cardíacas, comparando-as a uma única abordagem física.
Modelar aplicações de interação fluido-estrutura (FSI) fortemente acopladas bidirecionais, onde um fluido denso interage com uma estrutura flexível e vice-versa, é um dos desafios mais intrincados no reino da multifísica. Para prever a interação dinâmica entre fluido e estrutura, os engenheiros precisam de capacidades de simulação sofisticadas e dedicadas.
E embora modelar o FSI em uma válvula cardíaca seja um desafio de engenharia altamente complexo, ele tem o potencial de transformar o cotidiano de muitas pessoas, para melhor.
Por que a FSI?
Apesar da natureza altamente não linear de abertura e fechamento de uma PHV, onde a membrana fina do folheto experimenta uma instabilidade de snap-through transitando entre as posições aberta e fechada com rigidez virtualmente zero, ele capturou esses movimentos com sucesso.
Em sua configuração, a abertura e o fechamento da válvula eram conduzidos por uma condição de limite de pressão na superfície do folheto, imitando a pressão sanguínea. A curva de pressão dependente do tempo foi derivada de dados experimentais sobre a pressão diferencial entre a entrada e a saída da válvula.
Embora esta seja uma simulação dinâmica notável, ela não é realmente nova e poderia ter sido feita com outras ferramentas de simulação também. E, mais importante, um efeito significativo foi ignorado aqui – os folhetos da válvula não operam isoladamente; cada movimento minúsculo de um folheto afeta o sangue ao redor, criando flutuações na pressão, modificando padrões de fluxo ou até mesmo induzindo turbulência. Simultaneamente, o movimento do fluido e a pressão exercida na superfície do folheto induzem ou amortecem deformações e acelerações do folheto.
Devido à alta densidade do sangue, a razão entre a massa do folheto e a massa do fluido deslocada pelo folheto é quase um. Junto com a rigidez muito baixa do folheto, isso indica um forte acoplamento bidirecional entre fluido e sólido.
Desconsiderar essas fortes interações fluido-estrutura levará a previsões imprecisas da dinâmica da válvula. O vídeo abaixo fornece uma comparação visual da dinâmica do folheto com e sem considerar os efeitos FSI, por exemplo, o efeito de amortecimento do sangue no folheto e a aceleração do sangue através do deslocamento do folheto.
Como você pode ver, desconsiderar o FSI bidirecional leva a uma superprevisão da velocidade de abertura e fechamento da válvula, o que em troca pode levar a um design de folheto que não abre e fecha rápido o suficiente ao interagir com o sangue ao redor. Como mencionado anteriormente, isso causará estenose e insuficiência e aumentará a carga de trabalho no coração com insuficiência cardíaca como um resultado potencial. A próxima animação mostra a diferença no formato e tamanho do orifício durante a abertura da válvula entre uma simulação sem FSI e com efeitos FSI incluídos. É evidente que o acoplamento entre o sangue e a estrutura do folheto não tem apenas um efeito na velocidade em que a válvula abre, mas também no formato do orifício uma vez que a válvula é aberta.
Isso mostra que somente uma simulação correta de todos os efeitos FSI acoplados bidirecionais permitirá projetar um formato e espessura de folheto ideais com máxima eficiência e longevidade e, portanto, segurança para o paciente.
O desafio de modelar um forte acoplamento bidirecional em FSI
Modelar uma forte interação fluido-estrutura acoplada bidirecional (FSI) apresenta desafios inerentes devido à física e dinâmica distintas de fluidos e sólidos, cada um governado por diferentes equações e métodos de discretização contínua. No contexto de uma válvula cardíaca protética (PHV), onde o fluido adere às equações de Navier-Stokes incompressíveis e o sólido segue uma lei de material hiperelástico, acoplar essas equações se torna um esforço complexo, particularmente na interface fluido-estrutura.
Duas condições físicas fundamentais devem ser satisfeitas nessa interface. A condição cinemática dita velocidades idênticas para fluido e sólido, essencialmente impedindo que o fluido se desprenda do sólido ou o penetre e garantindo seu movimento coesivo. A condição dinâmica equilibra pressões e forças nos lados fluido e sólido da interface e dita um equilíbrio de forças.
No caso de uma aplicação FSI forte acoplada bidirecional, como a válvula protética de três folhetos, os folhetos finos deslocam uma massa substancial de sangue e encontram grandes variações de pressão, levando a grandes deformações e acelerações, tornando inerentemente desafiador satisfazer as duas condições físicas.
Enfrente os problemas mais difíceis de FSI com o Simcenter STAR-CCM+
O Simcenter STAR-CCM+ aborda esses desafios introduzindo o novo Método de Estabilização Dinâmica FSI e o esquema de integração de Diferenciação Reversa de 2ª Ordem para sólidos. Essas melhorias melhoram significativamente a convergência e a estabilidade em simulações de tais sistemas complexos e garantem consistência cinemática completa em toda a interface FSI para integração de tempo de primeira e segunda ordem.
Além disso, satisfazer a conservação geométrica é crucial, exigindo que as malhas fluidas e sólidas se movam sincronizadamente nas interfaces. O Simcenter STAR-CCM+ se destaca nesse aspecto por meio do uso efetivo de morphing de malha, malhas overset e re-meshing dinâmico, garantindo o movimento harmonizado das malhas mesmo neste caso, onde as grandes deformações de folhetos levam a mudanças drásticas no domínio do fluido.
Modelagem mais precisa, estável e confiável de FSI fortemente acoplado bidirecional
Em essência, esses avanços no Simcenter STAR-CCM+ pavimentam o caminho para uma modelagem mais precisa, estável e confiável de FSI forte acoplado bidirecional, particularmente em aplicações complexas como válvulas cardíacas protéticas. Não há muitos casos em que o CFD pode ser literalmente chamado de transformador de vida. Desta vez, pode ser justo dizer isso.
Isenção de responsabilidade
Nenhum coração foi partido durante a produção deste post. 😊
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