Tài liệu Mô phỏng dòng chảy máu trong động mạch dùng ansys

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học:……………………………………………………… Cán bộ chấm nhận xét 1:…………………………………………………………. Cán bộ chấm nhận xét 2:…………………………………………………………. Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ……. tháng ……. năm …… TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ------------------------ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC -------------------------------------- Tp.HCM, ngày …… tháng …… năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THANH HOÀNG KING Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17-11-1981 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: CƠ KỸ THUẬT MSHV: 02305535 I-TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY MÁU TRONG ĐỘNG MẠCH DÙNG ANSYS II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu cơ bản về hệ thống tuần hoàn máu và hướng nghiên cứu trên thế giới để mô phỏng dòng chảy máu trong động mạch. - Mô phỏng dòng chảy máu trong động mạch ứng với hai trường hợp thành mạch cứng tuyệt đối và thành mạch bị biến dạng. Kết hợp so sánh kết quả với một số kết quả thực nghiệm và lý thuyết đã công bố. III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V-CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CB BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua. Ngày …… tháng ……. Năm …… TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến nhà trường, quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh đã hết lòng truyền dạy những kiến thức trong hai năm học ở trường. Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS.Trương Tích Thiện người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình cũng như truyền đạt những kiến thức quý báu giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn thầy TS.Nguyễn Tường Long, đã truyền đạt những kiến thức hữu ích về tính toán trong phần mềm ANSYS. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS.Lê Văn Thành (Đại học Y Dược Tp.HCM), bác sĩ Ngọc (Khoa Tim mạch, Bệnh viện Hoàn Mỹ) đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong lĩnh vực y học, đặc biệt là những kiến thức trong lĩnh vực tim mạch. Con xin chân thành cảm ơn ba mẹ, người đã sinh thành, lo cho con ăn học. Người đã chăm sóc cho con từng miếng ăn, giấc ngủ, luôn động viên và ở bên con những lúc con vui hay buồn. Công ơn của ba mẹ con luôn ghi nhớ ở trong lòng không bao giờ quên. Cuối cùng tôi xin cảm ơn các bạn Nhã, Khương, Vinh (bộ môn Cơ Kỹ Thuật) đã giúp đỡ và tận tình hướng dẫn những kiến thức ban đầu về phần mềm tính toán ANSYS Workbench và phần mềm Catia. Xin chân thành cảm ơn tất cả. Tp.Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 05 năm 2008 Nguyễn Thanh Hoàng King TÓM TẮT LUẬN VĂN Các bệnh về tim mạch là một trong những nguyên nhân tử vong hàng đầu, theo thống kê hàng năm trên thế giới có khoảng 17 triệu người chết vì các bệnh liên quan đến tim mạch. Nội dung chính của báo cáo này là mô phỏng dòng chảy máu trong mạch trong nhiều trường hợp khác nhau dùng phần mềm tính toán Ansys. Phân tích sự những ảnh hưởng tác động của dòng chảy máu đến các bệnh về tim mạch đứng dưới góc độ cơ học. Căn cứ vào kết quả mô phỏng có thể chỉ ra những những vị trí nguy hiểm, những vùng xoáy cục bộ, vùng có nguy cơ lắng cặn cao… Ngoài ra, báo cáo cũng trình bày kết quả mô phỏng dòng chảy máu trong trường hợp thành mạch máu biến dạng (bài toán cặp đôi rắn – lỏng). Kết quả mô phỏng này sẽ giúp cho các nhà y học có cái nhìn trực quan hơn đối với dòng chảy máu trong mạch cũng như những tác động của dòng chảy đến biến dạng của thành mạch. MỤC LỤC Chương 1 TỔNG QUAN 1.Dẫn nhập..................................................................................................................1 2.Tổng quan về FSI.....................................................................................................3 3.FSI trong ANSYS ....................................................................................................7 4.Một số kết quả đã công bố trên thế giới ..................................................................9 4.1.Blood simulation 2003 .....................................................................................9 4.2.Bộ phận cấy ghép ...........................................................................................10 4.3.Cardiac pump .................................................................................................13 Chương 2 LÝ THUYẾT CƠ LƯU CHẤT 1.Phân loại chuyển động của dòng lưu chất .............................................................17 1.1.Phân loại theo ma sát nhớt .............................................................................17 1.2.Phân loại theo tính nén được..........................................................................19 2.Phương trình ..........................................................................................................21 2.1.Phương trình liên tục......................................................................................21 2.2.Phương trình động lượng ...............................................................................22 2.3.Phương trình năng lượng đối với dòng lưu chất nén được ............................24 2.4.Phương trình năng lượng đối với dòng lưu chất không nén được .................26 Chương 3 LÝ THUYẾT VẬT RẮN BIẾN DẠNG 1.Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng...............................................................31 2.Ma trận cấu trúc .....................................................................................................36 3.Giải bài toán vật rắn biến dạng bằng phương pháp PTHH ...................................38 Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................................43 1.Mô hình 1 ..............................................................................................................43 1.1.Dòng chảy dừng .............................................................................................44 1.2.Dòng chảy quá độ...........................................................................................50 2.Mô hình 2...............................................................................................................54 2.1.Mô hình thực nghiệm của Ojha......................................................................52 2.2.Khảo sát dòng chảy ở những tỉ lệ hẹp mạch khác nhau ................................59 3.Mô hình 3...............................................................................................................65 3.1.Trường hợp 1: thành mạch cứng tuyệt đối.....................................................67 3.2.Trường hợp 2: thành mạch biến dạng ............................................................68 3.3.Trường hợp 3: thành mạch biến dạng xơ vữa 1 vị trí ....................................72 3.3.Trường hợp 4: thành mạch biến dạng xơ vữa 3 vị trí ....................................74 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................77 PHỤ LỤC .......................................................................................................................79 Phụ lục I: Lý thuyết dòng Poisseuille.......................................................................79 Phụ lục II: Lý thuyết về máu và hệ mạch .................................................................85 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................100 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN Chương 1 TỔNG QUAN 1.DẪN NHẬP Ngày nay, các bệnh liên quan đến tim mạch đã lên ngôi đầu bảng trong danh sách xếp hạng các nguyên nhân phổ biến dẫn đến tử vong. Theo thống kê của tổ chức y tế thế giới (WHO), hàng năm có khoảng 6.5 triệu người chết vì các bệnh liên quan đến tim mạch. Ở Việt Nam, theo thống kê của bộ y tế cứ 100 ngàn người thì có 103.97 người mắc bệnh liên quan đến tim mạch. Thông thường các bệnh liên quan đến tim mạch (tai biến, đột quị, sơ vữa mạch, huyết áp cao….) thường xảy ra ở những người cao tuổi, nhưng theo những thống kê gần đây của các bệnh viện tỉnh thành phố ở nước ta cho thấy số người mắc bệnh trẻ (dưới 50 tuổi) ngày càng tăng lên đáng kể. Việc tìm hiểu nguyên nhân gây bệnh không còn là nhiệm vụ riêng của các nhà lâm sàng, của bác sĩ mà nó còn là mục tiêu nghiên cứu đầy thử thách đối với cả các nhà toán học, cơ học, cũng như hóa học… Tuy phương pháp nghiên cứu có khác nhau nhưng cùng chung một mục đích là tìm hiểu, giải thích nguyên nhân, cơ chế dẫn đến đột quị để có phương pháp phòng chống, chữa trị hiệu quả. Khoảng đầu những năm 50 các nhà cơ học đã bắt đầu quan tâm đến lĩnh vực này. Họ cố gắng tìm ra mối liên quan giữa dòng chảy với các tổn thương thành mạch. Cũng với sự phát triển của khoa học công nghệ, tốc độ xử lý của máy tính ngày càng tăng lên giúp cho các nhà khoa học có khả năng mô phỏng ngày càng chính xác hơn dòng chảy máu trong mạch. Từ bài toán chảy tầng sang rối, từ bài toán thành cứng tuyệt đối sang bài toán thành mạch biến dạng…. Tình hình chung của thế giới là như vậy, ở Việt Nam hiện nay việc nghiên cứu sâu vào dòng chảy máu trong mạch dường như vẫn là thế giới riêng của các nhà y học. Nội dung nghiên cứu của luận văn này đề cập đến một hướng tiếp cận mới (ở Việt Nam) của người làm cơ học đến bài toán mô phỏng dòng chảy máu trong y học. Hướng tiếp cận này HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING -1- Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN thuần túy về mặt cơ học không đi quá sâu vào sinh lý học của hệ mạch. Nội dung chính của luận văn là khảo sát, mô phỏng trạng thái dòng chảy máu (trên nền phần mềm ANSYS) trong những trường hợp bị hẹp mạch, phân tính trạng thái dòng chảy chỉ ra những vùng nguy hiểm có thể là nguyên nhân gây ra những bệnh về mạch máu (xơ vữa, tắc nghẽn…). Ngoài ra kết quả mô phỏng còn được so sánh với một số kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng của một số tác giả khác đã công bố trong những năm gần đây. Một phần cũng khá quan trọng trong luận văn này là mô phỏng bài toán 2 pha tương tác rắn – lỏng (Fluid Solid Interaction), mô phỏng bài toán FSI sẽ giúp chúng ta có cái nhìn trực quan hơn về sự biến dạng của thành mạch máu cũng như ảnh hưởng của biến dạng thành mạch đến dòng chảy máu trong mạch. Với những nội dung cụ thể trên, tác giả mong muốn có thể giúp cho các nhà cơ học mở rộng thêm lĩnh vực nghiên cứu của mình, từ đó có thể hợp tác với các nhà y học trong việc nghiên cứu lâm sàng các bệnh liên quan đến dòng chảy máu trong mạch. Mặc khác, mô phỏng được dòng chảy máu trong mạch dùng FSI sẽ giúp đỡ nhiều trong việc giảng dạy, giúp các bác sĩ tương lai có cái nhìn trực quan hơn về dòng chảy máu trong mạch. HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING -2- Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN 2.TỔNG QUAN VỀ FSI (FLUID STRUCTURE INTERACTION) Mô phỏng ngày càng trở nên hết sức phổ biến trong rất nhiều lĩnh vực của công nghiệp và nghiên cứu. Nó giúp tối ưu các các thiết kế dẫn đến giảm chi phí trong quá trình sản xuất. Ngày nay yêu cầu nâng cao độ chính xác của các mô phỏng là hết sức cần thiết, vì thế các bài toán mô phỏng ngày càng trở nên phức tạp hơn. Từ những bài toán mô phỏng một môi trường riêng lẻ như rắn, lỏng, khí… chuyển sang những bài toán mô phỏng đa môi trường vật lý (multiphysis) phức tạp hơn rất nhiều. Hình 1.1 Mô phỏng dòng lưu chất (không khí) chuyển động quanh thân xe F1 Vấn đề quan trọng và cũng là khó khăn nhất của các bài toán đa môi trường là vấn đề tương tác giữa lưu chất và cấu trúc (FSI: fluid-structure interactions). Ví dụ như tương tác giữa các cấu trúc chuyển động hoặc biến dạng đàn hồi với dòng chảy lưu chất bên trong hoặc bên ngoài nó. Các bài toán FSI rất đa dạng và phong phú từ mái lều to lớn cho đến đến những micro bơm nhỏ xíu, từ chiếc dù cho đến dòng chảy máu trong động mạch. HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING -3- Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN Các bài toán mô phỏng cặp đôi FSI chia làm hai dạng chính như sau: - Tương tác một chiều (one – way FSI): mô phỏng FSI đối với những cấu trúc có biến dạng rất nhỏ và những biến dạng này không ảnh hưởng nhiều đến sự thay đổi dòng chảy của lưu chất. Ví dụ như dòng chảy trong khớp nối dưới đây. Trong trường hợp này, phần lớn ứng suất nhiệt của cấu trúc rắn đều được gây ra bởi biến thiên nhiệt (thermal gradients) trong dòng lưu chất. Tuy nhiên độ biến dạng của cấu trúc rắn rất nhỏ, không ảnh hưởng nhiều đến dòng lưu chất. Mô hình này cho phép tính toán CFD và FEA độc lập nhau, tải tác dụng chỉ có một chiều từ dòng lưu chất qua cấu trúc rắn. Ứng dụng phổ biến của nhất của FSI một chiều là giải quyết các bài toán nhiệt - ứng suất (thermal – stress problems). Dòng chảy lưu chất rất phức tạp và CFD xác định điều kiện truyền nhiệt tại vùng tiếp xúc rắn lỏng. Hình 1.2 Mô phỏng dòng lưu chất trong ống dẫn - Tương tác hai chiều (two – way FSI): trường hợp này xảy ra khi dòng lưu chất tác động vào cấu trúc làm cho cấu trúc biến dạng, sự thay đổi hình dạng của cấu trúc sẽ tác động ngược trở lại làm thay đổi tính chất của dòng chảy lưu chất. Ví dụ dòng chảy của máu trong mạch. HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING -4- Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN Hình 1.3 Mô phỏng dòng chảy máu trong mạch dùng ANSYS FSI HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING -5- Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN 3.FSI trong ANSYS Hình 1.4 Đường dòng chất khí quanh máy bay ANSYS FSI cung cấp đầy đủ các giải pháp thiết kế và phân tích cấu trúc, với hệ thống công cụ trường cặp đôi mềm dẻo và tiên tiến. Tương tác lưu chất – cấu trúc có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp như cơ y sinh (mô phỏng dòng chảy máu trong mạch, hỗ trợ quá trình thiết kế ống dẫn mạch máu trong cơ thể người, hỗ trợ quá trình thiết kế van tim nhân tạo…), hàng không (foil flutter), xây dựng (tính tác động của gió lên công trình)… Đối với các bài toán cặp đôi sử dụng CFD và FEA, các mô hình này có thể chạy độc lập với nhau. Hầu hết các phần mềm thương mại CFD và FEA đều hỗ trợ quá trình truyền dữ liệu giữa hai mô hình. Tuy nhiên, để chắc chắn rằng mô hình CFD và FEA độc lập lẫn nhau có thể mô phỏng chính xác (cả kích thước và vị trí) thì phục thuộc rất nhiều vào người sử dụng, vì sai sót trong quá trình truyền dữ liệu xảy ra rất phổ biến. Việc sử dụng mô hình hình học chia sẻ trong môi trường ANSYS Workbench loại trừ được sai sót này. ANSYS 11 cải tiến cả hai chức năng mô phỏng FSI một chiều và hai chiều, chúng ta có thể sử dụng được cả hai chức năng này trong một môi trường duy nhất là ANSYS HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING -6- Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN Workbench. Trong trường hợp cấu trúc biến dạng lớn làm ảnh hưởng ngược trở lại tới dòng lưu chất thì phải sử dụng FSI hai chiều. Một số ví dụ trong công nghiệp như: - Sự rung lắc của cánh máy bay - Sự rung lắc của nắp capô xe hơi - Tác động nhất thời của gió lên các tòa nhà, cầu… - Dòng chảy máu và van trong mạch máu Trong những trường hợp này, cả ANSYS và ANSYS CFX phải được chạy đồng thời và sẽ truyền thông tin qua lại giữa hai ứng dụng. Cặp đôi ANSYS và ANSYS CFX được hợp nhất, quá trình truyền thông tin được tích hợp sẵn trong đó không cần bất kỳ phần mềm nào khác. Cặp đôi FSI hai chiều sử dụng ANSYS Multi-field giải quyết bài toán hai chiều biến đổi theo thời gian hoặc dừng cho chuyển động và biến dạng của cấu trúc hình học . ANSYS Multi-field Solver Technology: ANSYS Multi-field solver cung cấp một cơ cấu dễ dàng (easy-to-use framework) để giải quyết các bài toán cặp đôi trong rất nhiều lĩnh vực công nghiệp mới. Giải pháp này của ANSYS áp dụng được trong nhiều loại môi trường vật lý khác nhau. Cặp đôi ANSYS CFX hỗ trợ các tương tác lưu chất – cấu trúc, ANSYS sẽ giải bài toán cấu trúc và CFX giải bài toán lưu chất. Chức năng nâng cao của Multi-field solver technology cho phép giải cấu trúc và lưu chất đồng thời trên cùng một máy tính hoặc trên các máy tính khác nhau, từ đó cho phép giải những bài toán có qui mô lớn hơn. Multi-field coupling hỗ trợ công nghệ giải tiếp nội bộ (inter-process communication). Công nghệ này chắc chắn giúp cho CFX có thể chạy song song với bất kỳ ứng dụng khác mà không can thiệp hay bị xung đột với ứng dụng đó. Vì thế, lưu chất và cấu trúc có thể được tính toán trên những máy tính khác nhau, từ đó ta có thể giảm thời tính toán và mô phỏng một cách đáng kể với số lượng máy tính lớn. HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING -7- Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN Một số nét đặc trưng Advanced FSI của ANSYS: • Lưu chất và cấu trúc được ứng xử như hai vùng độc lập nhau về mô hình hình học và chia lưới • Cho phép chia lưới khác nhau ở từng mô hình (các điểm nút trên vùng tương tác có thể không trùng nhau) • Tải tác động qua lại giữa hai mô hình có thể là tải bề mặt hoặc tải thể tích • Lưu chất và cấu trúc có thể giải ở hai máy tính khác nhau • Cấu trúc lặp của hai mô hình có thể khác nhau • Tự động điều chỉnh cấu trúc lưới • Vật liệu phi tuyến • Xuất kết quả độc lập cho từng môi trường • ANSYS CFX dùng để chạy và điều khiển mô phỏng cặp đôi CFX ANSYS • Kết quả CFD và FEA có thể xử lý cùng lúc trong post-processed của ANSYS CFX post-processor Một số lợi ích khi sử dụng Advanced FSI: • Sử dụng một môi trường phần mềm duy nhất với giao diện thân thiện giúp cho người sử dụng có thể học và sử dụng dễ dàng • Không cần mô hình thứ ba nào can thiệp và không cần thêm bất kỳ phần mềm nào để xử lý kết quả, dẫn đến giảm chi phí mua phần mềm, đỡ tốn thời gian học, sử dụng và quản lý phần mềm mới • Tải tác dụng giữa FEA và CFD được bảo toàn • Có thể dùng xử lý song song để giải quyết các bài toán FSI ở qui mô lớn • FSI có thể sử dụng thông qua mạng LAN, WAN và Internet HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING -8- Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN 4. MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐÃ CÔNG BỐ TRÊN THẾ GIỚI 4.1 Blood Simulation 2003 Ngày nay bệnh liên quan đến tim mạch trở nên hết sứ phổ biến. Ít vận động và thức ăn nhanh đã làm gia tăng các bệnh về tim mạch và đột quị. Theo hiệp hội tim Hoa Kỳ (American Heart Asociation), 20% người sau 40 tuổi bị những bệnh về tim. Vào năm 2001, Đại học Sheffiedld và Viện năng lượng hạt nhân (Atomic Energy Authority - UK) cho ra đời phần mềm BLOODSIM 2.0. Được sự giúp đỡ của IDAC Ailen (một công ty hàng đầu trên thế giới trong lĩnh vực tư vấn về kỹ thuật), các cộng tác viên đã thành công trong việc tích hợp 2 công cụ phần mềm mô phỏng lớn hiện nay là ANSYS và CFX trong việc giải quyết dòng/kết cấu 3D. Hình 1.5 Mô phỏng van tim dùng BLOODSIM Theo IDAC, việc kết hợp giữa ANSYS (finite element technology) và CFX (computational fluid dynamics) cho phép mô phỏng dòng máu trong động mạch và qua van tim. Hơn nữa ANSYS/CFX còn có những phân nhánh dành cho những ngành khác có những vấn đề liên quan đến dòng chảy/kế cấu như hàng không, khoa học vũ trụ và HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING -9- Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN ôtô… Tiến sĩ Rodney Hose (Đại học Sheffield) cho rằng việc phát triển BloodSim sẽ tạo thuận lợi rất lớn trong việc phân nghiên cứu chế tạo các thiết bị y tế. BloodSim giúp chúng ta mô phỏng được dòng máu qua van tim nhân tạo trong vòng tuần hoàn máu bao gồm cả quá trình đóng mở của van tim, shear stress sinh ra trong qua trình này có thể gây nguy hại cho các tế bào máu. Bước tiếp theo của BloodSim là phải mô phỏng được quá trình đóng cặn của máu (bài toán nhiều pha) để có thể tìm ra cách chống lại bệnh liên quan đến tim mạch 4.2 Bộ phận cấy ghép Một trong những thử thách lớn nhất của nền y học hiện đại là làm sao có thể khắc phục được sự phình to của đông mạch bụng bằng phương pháp sử dụng bộ phận cấy ghép (lưới kim loại cộng với vật liệu cấy ghép tổng hợp). Thiết bị này được đưa vào trong động mạch chủ để gia cố thành động mạch. Tuy nhiên nếu thiết bị này rời khỏi vị trí của nó làm cho đoạn thành động mạch yếu này có áp lực lớn dẫn đến sự phình to có thể gây vỡ động mạch. Tìm hiểu sự thích ứng của các thiết bị cấy ghép trong cơ thể và tìm ra vị trí hợp lý để đặt chúng là công việc chính của nhóm Biomechanical Engineering Research Group (BERG), Đại học Bắc Carolina. Nhóm này sử dụng CFX kết hợp với ANSYS để nghiên cứu về động mạch chủ trước và sau khi đặt các thiết bị cấy ghép để xem chúng có “sống” được hay cần phải loại bỏ. Hầu hết các nghiên cứu đều thừa nhận rằng thành động mạch có động cứng phụ thuộc vào sự thay đổi áp lực máu (thay đổi theo nhịp đập của tim) và bề dày của thành động mạch là hằng số (mặc dù điều này không luôn luôn đúng nhất là với những bệnh nhân già bị tăng huyết áp hay đã từng bị phình động mạch). HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING - 10 - Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN Hình 1.6 Bộ phận cấy ghép thay thế thành động mạch Khi thiết bị cấy ghép trượt khỏi vị trí cần đặt thì thành động mạch (yếu hoặc bị tổn thương) sẽ phải đối mặt với áp lực cao do sự co dãn theo nhịp đập của tim, dẫn đến tổn thương và gây tử vong. Thành động mạch bị phình to là được xếp thứ 13 trong số các nguyên nhân gây tử vong ở Mỹ. HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING - 11 - Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN Hình 1.7 Chuyển vị của thành mạch (mô phỏng trên ANSYS CFX) Các thiết bị này đều được mô hình trong CFX và ANSYS để tính toán phản lực tác dụng lên trong những điều kiện cấy ghép khác nhau. Nhóm đã sử dụng nhiều mẫu bằng cách thay đổi kích thước cổ động mạch, bề dày thành, nhiều loại kết cấu khác nhau (multi-structure) …. CFX post-processor cùng với project đã giúp cho nhóm có cái nhìn thấu đáo hơn về các ứng xử vật lý, nơi nào các tiểu huyết cầu hoặc low density lipoprotein (LDLs) có thể đóng cặn, từ đó có thể tối ưu được thiết kế và vị trị đặt thiết bị cấy ghép. Kết quả từ CFX và ANSYS đều được kiểm nghiệm lại với thực nghiệm và hồ sơ bệnh án. Hình 1.8 Mô phỏng dòng chảy trong trường hợp đặt thiết bị cấy ghép (thay thế thành mạch bị tổn thương) HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING - 12 - Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN Hình 1.9 Phân bố vận tốc và ứng suất trong quá trình mô phỏng 4.3 Cardiac pump Các nhà nghiên cứu ở Cleveland Clinic Foundation (CCF), một trong những bệnh viện nghiên cứu lớn nhất thế giới, sử dụng ANSYS CFX CFD để tối ưu thiết kế của catheter và rotary pump (cho các bệnh nhân chờ để phẫu thuật tim). - Catheter pump được thiết kế để giúp đỡ dòng máu lưu thông tốt hơn, thông thường chỉ trong một khoảng thời gian ngắn. - Rotary pump được thiết kế để tạo dòng máu liên tục trong khoảng thời gian dài (có thể kéo dài đến hàng tháng) và nó có thể thay thế được chức năng của tim. HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING - 13 - Năm học: 2005-2007 GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN Hình 1.10 Trường vận tốc mô phỏng trong ống bơm HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING - 14 - Năm học: 2005-2007