최근들면서 현대 사회인들의 사망률 조사통계에서 보면 전세계 사망의 주요 원인 중 하나가 심장 혈관계와 관련된 질환임이 나타나고 있다. 이러한 심장 혈관 질환은 주로 죽상 경화증을 원인으로 많이 발병되어지고 있으며 저밀도 지단백질 (예를들면 , 콜레스테롤 있는 LDLs )의 과잉 및 비이상적인 수송과 관련된 ...
최근들면서 현대 사회인들의 사망률 조사통계에서 보면 전세계 사망의 주요 원인 중 하나가 심장 혈관계와 관련된 질환임이 나타나고 있다. 이러한 심장 혈관 질환은 주로 죽상 경화증을 원인으로 많이 발병되어지고 있으며 저밀도 지단백질 (예를들면 , 콜레스테롤 있는 LDLs )의 과잉 및 비이상적인 수송과 관련된 혈류역학 관련 질환군 이다. 특히 혈관이 교차되는 지점이나 혈관이 곡선을 이루는 지점 등에서 유체역학적인 혈류의 변화는 혈관의 단면에 LDL에 의해 협착구조가 생성되며 죽상 경화증을 유발하게 된다. 죽상 동맥 경화의 발달은 혈관 벽 구조에 따른 유체 흐름의 특성과 매우 밀접하게 연관되어 있다. 그러나 동맥의 협착구조의 특성상 크기가 매우 작게 생성되어 생체 내 또는 생체 외 실험을 통한 직접적 측정 및 분석이 매우 어려운 실정이다. 또한 실험에 있어 모든 생리적 조건을 고려하여 해야 하고 생체 실험과 관련된 고비용 및 실험방법에 있어 매우 많은 난관이 존재하고 있다.
따라서 본 연구에서는 실험을 통해 분석할 수 있는 방법에서의 복잡성과 고비용 문제를 해결하기 위해 전산유체해석 기법을 활용하였으며 그 중에서 특히 유체-구조상호작용(FSI) 활용 방식을 적용하였다. 특히, 이전에 수행된 FSI 활용 연구에서는 실제 생리학적 변형을 많이 반영하지 못하는 단점이 있었다. FSI 에 대한 연구는 주로 이동격자 적용방식 혹은 라그랑지–오일러 방법을 사용하였으며 구조물의 고체 특성과 유체 특성 간의 상관관계를 분석하였다. 그러나 이러한 방식의 접근법에서는 효율 및 정확성을 저해하는 다양한 요인들이 존재하고 있다. 본 연구에서는 이러한 요인 중 재료의 밀도의 변화와 유체 및 고체의 질량 특성과 관련된 오랜 계산시간 문제 및 오류에 의한 발산 결과를 효율적으로 감소시킬 수 있고 또한 다양한 병리학적 문제와 측정방법에 어려움을 해결할 수 있도록 one-way FSI coupling 기법을 개선하였다.
따라서, 본 연구에서는 생체 내 혈류의 난류적 맥동 유동, 생리적 경계조건, 다공성 효과, 곡률 및 비선형 벽면과 같은 다양한 병리학적 조건이 고려된 세 가지 형태의 혈관 구조에 대하여 one-way FSI coupling 기법을 적용하여 혈류 유동장 및 효율을 분석하였다. One-way FSI coupling 기법은 빠른 계산시간과 격자 변화에 대한 효율적 대응으로 매우 유리하였다. 개선된 기법의 타당성 검토를 위해 전체적인 결과값을 two-way FSI coupling 기법으로 계산된 결과 값과도 비교하였으며 우수한 수치적 근사 결과를 확인하였다.
최근들면서 현대 사회인들의 사망률 조사통계에서 보면 전세계 사망의 주요 원인 중 하나가 심장 혈관계와 관련된 질환임이 나타나고 있다. 이러한 심장 혈관 질환은 주로 죽상 경화증을 원인으로 많이 발병되어지고 있으며 저밀도 지단백질 (예를들면 , 콜레스테롤 있는 LDLs )의 과잉 및 비이상적인 수송과 관련된 혈류역학 관련 질환군 이다. 특히 혈관이 교차되는 지점이나 혈관이 곡선을 이루는 지점 등에서 유체역학적인 혈류의 변화는 혈관의 단면에 LDL에 의해 협착구조가 생성되며 죽상 경화증을 유발하게 된다. 죽상 동맥 경화의 발달은 혈관 벽 구조에 따른 유체 흐름의 특성과 매우 밀접하게 연관되어 있다. 그러나 동맥의 협착구조의 특성상 크기가 매우 작게 생성되어 생체 내 또는 생체 외 실험을 통한 직접적 측정 및 분석이 매우 어려운 실정이다. 또한 실험에 있어 모든 생리적 조건을 고려하여 해야 하고 생체 실험과 관련된 고비용 및 실험방법에 있어 매우 많은 난관이 존재하고 있다.
따라서 본 연구에서는 실험을 통해 분석할 수 있는 방법에서의 복잡성과 고비용 문제를 해결하기 위해 전산유체해석 기법을 활용하였으며 그 중에서 특히 유체-구조상호작용(FSI) 활용 방식을 적용하였다. 특히, 이전에 수행된 FSI 활용 연구에서는 실제 생리학적 변형을 많이 반영하지 못하는 단점이 있었다. FSI 에 대한 연구는 주로 이동격자 적용방식 혹은 라그랑지–오일러 방법을 사용하였으며 구조물의 고체 특성과 유체 특성 간의 상관관계를 분석하였다. 그러나 이러한 방식의 접근법에서는 효율 및 정확성을 저해하는 다양한 요인들이 존재하고 있다. 본 연구에서는 이러한 요인 중 재료의 밀도의 변화와 유체 및 고체의 질량 특성과 관련된 오랜 계산시간 문제 및 오류에 의한 발산 결과를 효율적으로 감소시킬 수 있고 또한 다양한 병리학적 문제와 측정방법에 어려움을 해결할 수 있도록 one-way FSI coupling 기법을 개선하였다.
따라서, 본 연구에서는 생체 내 혈류의 난류적 맥동 유동, 생리적 경계조건, 다공성 효과, 곡률 및 비선형 벽면과 같은 다양한 병리학적 조건이 고려된 세 가지 형태의 혈관 구조에 대하여 one-way FSI coupling 기법을 적용하여 혈류 유동장 및 효율을 분석하였다. One-way FSI coupling 기법은 빠른 계산시간과 격자 변화에 대한 효율적 대응으로 매우 유리하였다. 개선된 기법의 타당성 검토를 위해 전체적인 결과값을 two-way FSI coupling 기법으로 계산된 결과 값과도 비교하였으며 우수한 수치적 근사 결과를 확인하였다.
The modern age mortality surveys indicate the cardiovascular diseases as one of leading causes of deaths around the world. Atherosclerosis is one such disease, primarily related to the effective transport of low-density lipoproteins (LDLs; e.g., cholesterol) across the arterial walls. Significant va...
The modern age mortality surveys indicate the cardiovascular diseases as one of leading causes of deaths around the world. Atherosclerosis is one such disease, primarily related to the effective transport of low-density lipoproteins (LDLs; e.g., cholesterol) across the arterial walls. Significant variations in the mechanical behavior may occur if the cross section of the blood vessels gets accumulated by LDLs forming a stenotic structure or if tapered or curved segments appear. An important factor in the development of atherosclerosis is the flow-dependent response of the vessel wall structures. The order of magnitude of the compliance in an artery is very small compared with their dimensions, therefore, the measurement and analysis through in-vivo or in-vitro experiments is expensive and difficult, considering all the physiological conditions.
To avoid experimental complexities and high cost, simulation studies that use the fluid structure interaction (FSI) approach for this evaluation are available; however, the previous FSI studies in arterial vascular systems were deficient in addressing the actual physiological situations. Studies on FSI generally use a moving mesh application or an arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) method by making a two-way coupling between the fluid and structural domains. One of the important factors that limit the performance of this approach is the artificial added mass effect for which a fully coupled FSI approach features instabilities and convergence problems for comparable density materials, in addition to complex meshing and large computational time. The above mentioned concerns and the additional complexity of various pathologically driven FSI problems have forced us to use one-way coupled approach.
In short, this study aims to investigate the effectiveness of one-way FSI coupling methodology in three different blood vessel structures considering the pathological situations in the form of pulsatile flow, physiological boundary conditions, porous wall effects, curvature and non-linear wall materials. The two distinct physics concepts of fluid flow and structure were used in one-way coupling, such that any deformation in the structure does not affect the fluid flow in return. One-way coupling methodology is advantageous in terms of lower computational time and does not require calculation of mesh displacement. The adopted methodology is an approximation to a fully coupled approach and its validity can be evaluated by using small strain approximation theory criterion. The results from each case proved the approximation to be correct and valid when compared with the two-way coupling methods.
The modern age mortality surveys indicate the cardiovascular diseases as one of leading causes of deaths around the world. Atherosclerosis is one such disease, primarily related to the effective transport of low-density lipoproteins (LDLs; e.g., cholesterol) across the arterial walls. Significant variations in the mechanical behavior may occur if the cross section of the blood vessels gets accumulated by LDLs forming a stenotic structure or if tapered or curved segments appear. An important factor in the development of atherosclerosis is the flow-dependent response of the vessel wall structures. The order of magnitude of the compliance in an artery is very small compared with their dimensions, therefore, the measurement and analysis through in-vivo or in-vitro experiments is expensive and difficult, considering all the physiological conditions.
To avoid experimental complexities and high cost, simulation studies that use the fluid structure interaction (FSI) approach for this evaluation are available; however, the previous FSI studies in arterial vascular systems were deficient in addressing the actual physiological situations. Studies on FSI generally use a moving mesh application or an arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) method by making a two-way coupling between the fluid and structural domains. One of the important factors that limit the performance of this approach is the artificial added mass effect for which a fully coupled FSI approach features instabilities and convergence problems for comparable density materials, in addition to complex meshing and large computational time. The above mentioned concerns and the additional complexity of various pathologically driven FSI problems have forced us to use one-way coupled approach.
In short, this study aims to investigate the effectiveness of one-way FSI coupling methodology in three different blood vessel structures considering the pathological situations in the form of pulsatile flow, physiological boundary conditions, porous wall effects, curvature and non-linear wall materials. The two distinct physics concepts of fluid flow and structure were used in one-way coupling, such that any deformation in the structure does not affect the fluid flow in return. One-way coupling methodology is advantageous in terms of lower computational time and does not require calculation of mesh displacement. The adopted methodology is an approximation to a fully coupled approach and its validity can be evaluated by using small strain approximation theory criterion. The results from each case proved the approximation to be correct and valid when compared with the two-way coupling methods.
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