Modelowanie pracy zastawki aortalnej w ujęciu mechaniki ośrodków

Zebranie Sekcji Mechaniki Konstrukcji i Materiałów
7 marca 2014, Wrocław
Modelowanie pracy zastawki aortalnej
w ujęciu mechaniki ośrodków ciągłych
Prof. dr hab inż. Piotr Konderla
Zakład Wytrzymałości Materiałów, Instytut Inżynierii Lądowej,
Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego, Politechnika Wrocławska
Zastawka aortalna jako jeden z elementów układu krwionośnego człowieka
z punktu widzenia układu mechanicznego jest zaworem zwrotnym. Zastawka aortalna
usytuowana jest przy ujściu aorty i składa się z trzech płatków osadzonych na
pierścieniu włóknistym, który z kolei wbudowany jest w ściankę aorty. W przypadku
dysfunkcji tego narządu występuje konieczność zastąpienia go protezą zastawki serca.
Stosowane obecnie protezy różnią się od zastawek naturalnych pod względem
konstrukcji, właściwości hemodynamicznych oraz trwałości. Istnieje silne
przekonanie, że przyszłością w tym zakresie są protezy o konstrukcji zbliżonej do
zastawek naturalnych, co stymuluje prace badawcze ukierunkowane na modelowanie
pracy naturalnej zastawki aortalnej.
Badania naukowe prowadzone przez zespół autorski obejmowały szeroki zakres
problemów związanych z modelowaniem pracy naturalnych zastawek aortalnych,
w szczególności modelowania materiału płatków zastawek, modelowania
współdziałania zastawki z odcinkiem aorty na której zastawka jest osadzona oraz
modelowania dynamicznego przepływu krwi przez zastawkę. Podstawą przyjmowania
modelu materiału i geometrii płatka zastawki były dostępne badania doświadczalne
oraz pomiary zastawek naturalnych. Modelem zastawki był zbiór trzech powłok
trójwarstwowych wykonanych w materiału sprężystego nieliniowego. Przepływającą
krew przez zastawkę modelowano jako płyn newtonowski. Proces pracy zastawki
wraz z przylegającym odcinkiem aorty traktowano jako zagadnienie interakcję cieczy
i ciała stałego w warunkach dynamicznego przepływu laminarno-turbulentnego.
Obliczenia numeryczne uzyskano przy wykorzystaniu systemu Ansys oraz własnego
oprogramowania. Wyniki uzyskane na drodze numerycznej są zgodne jakościowo
z wynikami badań obiektów naturalnych w zakresie możliwości pomiarowych
zastawek w warunkach in situ.
Zbudowanie
analityczno-numerycznego
narzędzia
pozwoliło
na
przeprowadzenie ciekawych eksperymentów numerycznych mogących mieć
w przyszłości istotne znaczenie aplikacyjne przy konstruowaniu sztucznych zastawek
serca. W szczególności badano zjawisko wyboczenia płatka w trakcie otwierania
zastawki oraz proces remodelingu płatka polegającego na przebudowie tego elementu
pod wpływem oddziaływań mechanicznych.