BMRI 生物医学研究的国际 2314 - 6141 2314 - 6133 Hindawi 10.1155 / 2020/1024096 1024096 研究文章 水动力噪声通过Bileaflet脉动射流的机械二尖瓣 https://orcid.org/0000 - 0003 - 2161 - 6923 Voskoboinick 弗拉基米尔• 1 Voskoboinyk Oleksandr 1 Chertov 奥列格 2 Voskoboinick 安德烈 1 https://orcid.org/0000 - 0001 - 6068 - 7092 Tereshchenko Lidiia 1 Evstigneev 马克西姆P。 1 流体力学研究所NAS的乌克兰 基辅03057 乌克兰 hydromech.org.ua 2 NTUU伊戈尔·西科斯基公司基辅理工学院 基辅03057 乌克兰 kpi.ua / 2020年 30. 5 2020年 2020年 06 04 2020年 18 05年 2020年 30. 5 2020年 2020年 版权©2020年弗拉基米尔Voskoboinick et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

实验研究结果脉动流的水动力噪声通过bileaflet机械二尖瓣。纯水的脉动流的舒张压模式对应于心脏节律的心。模型之间的阀位于左心房和左心室的模型。协调设备,一块微型传感器安装绝对压力和压力波动,是位于左心室的模型。发现水动力噪声的半封闭的脉动侧喷射阀高于开阀。压力波动水平逐渐减少二尖瓣的移除。它建立的二次谐波脉动流频率,光谱的水动力噪声水平的半封闭bileaflet机械二尖瓣几乎5倍开启阀门。删除从二尖瓣,光谱水动力噪声水平下降,尤其是强烈的频率脉动水流及其高次谐波。

 msca -增加- 2014 H2020-EU.1.3.3 AMMODIT 645672年 项欧盟项目的从波斯尼亚到塞尔维亚的爱情 pirses - ga - 2011 - 295164 -爱情 1。介绍

心脏是一个重要的空心muscular-fibrous器官位于胸腔和提供血液流经血管。这是一种肌肉泵suction-pushing血液的原则。人类的心脏是除以膜片成四个独立的钱伯斯:两个心房(左和右)和两个心室(左和右)。他们每个人的功能是不同的。在每个心房的血液进入心脏累积,达到一定体积,是推入相应的心室。心室血液进入动脉,通过它移动到全身。单向流动的血液的协调工作确保心脏的瓣膜装置,包括二尖瓣、三尖瓣、主动脉瓣,和肺的阀门,在正确的时刻开启和关闭,防止血液生搬硬套。第一和第三阀门位于左心室,第二和第四阀门位于心脏的右心室。

心脏泵大约5到6升的血液。这本书有点减少静止,当一个人进行体育锻炼,相反,它是增加。与血管,心脏心血管系统形式,两个圆的循环:大(系统性)和小(肺)。血液中的第一个进入主动脉心脏的左心室,然后穿过直径大、小动脉。然后通过小动脉,毛细血管的血液的流动,它将氧气和其他一些身体所必需的营养物质,二氧化碳和废物代谢产品。因此,血液的动脉(含氧血液从心脏)成为静脉血液流回心脏。静脉血液流首先通过小静脉,然后通过小静脉和静脉大树干。右心房内的静脉血进入下和上腔静脉,关闭体循环(大圈)。血液又富含氧气的肺,它来自正确的心脏通过肺动脉瓣进入肺动脉,肺循环的形式。含氧血液填充通过二尖瓣进入左心房和左心室的心。 The mitral (bicuspid or bileaflet) valve is located between the left atrium and the ventricle and consists of two leaflets. When it is opened, blood flows through an atrioventricular orifice into the left ventricle from the left atrium. During systole (i.e., contraction) of the left ventricle, the valve is closed so that blood does not flow back into the atrium, but is pushed through the aortic valve into the aorta and the vessels of the systemic circulation. Heart valves consist of thin, flexible leaflets that are opened and closed in response to changes in blood pressure between the respective atria and ventricles. As a result of various diseases and pathologies, the leaflets are damaged and interfere with the normal functioning of the heart and the entire cardiovascular system. As a result, it is necessary to apply therapeutic and surgical measures to eliminate such injuries until the replacement of natural heart valves with prostheses. About 300 thousand prosthetic heart valves are annually implanted in the world, and it is estimated [ 1),可以在2050年的三倍。

近年来,大量的心脏瓣膜假体的各种形式和原则开发并付诸实践,这是分为三组:bioprostheses,机械,经导管瓣膜 2- - - - - - 5]。大多数阀门,爱德华生命科学公司等世界知名公司生产的美敦力公司,圣裘德医疗,索林集团和波士顿科学。bileaflet机械心脏瓣膜是最常见的人工心脏瓣膜(超过50%)。这些阀门(图由两个半月形的传单 1(一)),这是附加到刚性缝合环通过小铰链。阀门的开度角相对于环的平面范围从75到90°。开放阀有三个开口:一个小slit-like中央开放两个开放的传单和两个半圆的大开口的阀门。阀门主要由热解碳,因为它有一个足够高thromboresistance。尽管有广泛的临床应用,这些阀门的功能远非完美。区分的主要缺点的理想机械心脏瓣膜破坏红细胞溶血的形成,也就是说,红细胞的破坏,以及导致血栓的形成血栓的流线型表面机械阀门(图 1 (b))。同时,机械心脏瓣膜患者应该使用抗凝血剂在生活中对抗血栓栓塞并发症。

Bileaflet机械心脏瓣膜:开放(a)和半封闭式trombi (b)。

 2。材料和方法

由于机械阀门nonphysiological几何,血液的流动自然条件显著不同。事实上,bileaflet机械心脏血流动力学的假体是明显不同于自然的阀门,因为他们有三个大小不一的孔。这形成了一个局部高速梯度较小的中央开放。阀门的传单是血液流动的障碍通过阀,以及高速度之间的飞机传单,会导致剪切应力增加,从而导致血液红细胞的破坏和其他小体( 6- - - - - - 8]。此外,有一个小的技术差距的传单被固定在环绕阀体通过铰链,和戒指本身。反向血流冲有一个足够高的速度在这个差距,产生较大的剪切应力,增加的风险损害血液和血栓的形成。

优化设计的机械阀是通过使用计算和实验方法 9- - - - - - 11)提高速度概要文件和减少并发症引起的假肢。现代数值模拟方法如DNS,巨蜥,莱斯,DES是用于计算( 12- - - - - - 14]。心脏瓣膜的血流动力学和流体力学测试是一个重要的步骤进行临床前研究的新设备。这类设备的有效性的主要指标是速度概要文件,速度和压力梯度、剪切和雷诺应力、对流速度,和涡结构的运动方向所形成的一个心脏瓣膜 15- - - - - - 17]。心脏内的血液流动特性的研究和执行机械阀门的操作条件都通过非侵入式测量方法(体内)和心室和心房模型的帮助下在实验室条件下(体外)。非侵入性方法的研究主要进行多普勒超声心动图的相当复杂的设备和磁共振成像。

但是这个现代化设备有严重缺点由于没有足够的时间和空间分辨率。因此,血流量的精细结构的机械心脏瓣膜的帮助下在实验室研究了微型传感器和复合物检测示踪粒子的运动增加空间和时间分辨率 18, 19]。一些复杂的实验装置,用于血液动力学和流体动力学的研究已经被描述在文献[ 20.- - - - - - 22]。

诊断机械操作的阀门进行体内使用多普勒超声心动图诊断复合物,磁共振成像,心电描记法,超声波层析速度测量,phonocardiography,心震描记法和其他一些技术和设备( 23- - - - - - 26]。这个设备使用记录血流动力学的各种原则和机制在心脏和一般在整个心血管系统。每种类型的诊断有其优势,劣势,这是相当不错的科学文献[ 27- - - - - - 29日]。然而,创建有效的问题,便宜,和微型诊断设备的登记机械心脏瓣膜血栓形成的传单,因为血栓防止阀门开度。如果其中一个传单是关闭,如图 1 (b),迫切需要采取适当措施,更换阀或消除血栓。需要创建这样一种设备,病人可以使用这个设备在国内没有收到一个特殊的医学教育。

我们的研究的目的是开发vibro-hydroacoustic诊断原则和方法的操作bileaflet机械心脏瓣膜,以及研究水动力噪声和振动的变换的特点,在左心室和心房模型生成和传播实验室的表面。

2.1。实验装置

纯水流的实验研究,其密度接近血液的密度,和运动粘度系数(4 - 5)倍低于血液在心脏舒张期,microlaboratory政权进行的米兰理工大学(意大利)。bileaflet机械心脏瓣膜的直径 d = 25 毫米 从基于Sorin(意大利),如图所示 1(一)本研究中使用。模型之间的阀位于左心房和左心室模型心脏二尖瓣和工作。心房和心室的模型是由有机玻璃和图所示 2(一个)。

实验台(a),压敏电阻和压电陶瓷传感器(b)。

水进入内部中庭模型(2)和左心室模型(3)通过设备入口(1)。(5)在心房和心室之间,安装bileaflet机械心脏瓣膜。水从实验台通过出口配件(4)流出。在左心室模型内部,有一个协调装置(6)的一块微型绝对压力传感器和压力波动传感器(7)安装。协调设备允许传感器从bileaflet阀下游移动飞机的方向,从开放或半封闭式阀门流出。表面振动实验台,绝对压力和压力波动里面记录使用单组分压电陶瓷加速度计,以及微型压敏电阻和压电陶瓷绝对压力传感器和压力波动传感器(图 2 (b))。这些传感器研发和制造流体力学研究所的乌克兰国家科学院( 30., 31日]。

进行操作的水声诊断bileaflet机械二尖瓣,创建一个特殊的实验站( 32, 33]。站的方案和照片如图所示 3。脉冲泵通过二尖瓣抽水水库(R)的阻抗坦克(I)。脉冲泵是由计算机使用专门研制的程序控制,使它可以创建一个脉动水供应的振幅,时期,和形式。在我们的研究中,脉冲形式的水通过二尖瓣运动与心脏舒张的心动周期。

计划和摄影实验的立场。

阻抗坦克提供低门槛的心脏的动脉压循环。超声波流量计(F)是安装在实验台上的进口或者出口。因此,计算机控制脉冲泵的操作成为可能准确和稳定控制的脉冲形式供水通过二尖瓣(舒张政权),脉冲周期(心脏脉冲),水的流量。研究中,脉动的频率供水1 Hz或每分钟60次,平均流量通过开放或半闭式二尖瓣不同从3 l / min 6 l / min。

水的水动力噪声的研究飞机,流出的二尖瓣的左心室室模型,进行了使用一块传感器(压力波动 34, 35]。这些传感器位于坐标设备上实验台,位于下游的阀门,如图 4。微型压电陶瓷传感器压力波动(直径1.3毫米)的敏感表面在well-streamlined块压力传感器安装在一个固定的距离(图 4(一))。孔的直径0.5毫米了,通过这个绝对压力被压阻压力传感器测量。传感器块通过协调设备是沿着研究飞机,通过公开或半封闭阀门流出。因此,传感器记录了水下噪声的近场飞机(图 4 (b))。二尖瓣的安装结构扭转阀门轴成为可能。因此,传感器记录的声音一边喷射或中央喷射bileaflet阀门。

位置的下游压力传感器bileaflet阀打开。

传感器的电信号被低噪声放大器放大,给个人电脑使用多通道模拟-数字转换器。实验结果进行了处理和分析使用概率论和数理统计。

根据开发计划,研究方法,实验台的声诊断最初进行的。建立了附加振动和噪音的来源,并正在采取措施消除或降低噪音水平。传感器是定期检查;积分的测量误差和光谱特征的研究参数测定。这使得接收实验结果与可接受的精度和良好的重复性。

测量平均误差和积分值和振动领域的压力不超过10%(95%)的可靠性。速度的测量误差不超过3%。光谱特性的测量误差的速度、压力波动,加速度是不超过2 dB 2 kHz的频率范围从0.01 Hz置信概率为0.95 2 σ 。

 3所示。结果与讨论

脉冲泵注入水通过依法二尖瓣舒张模式操作的心。在这种模式下,两个脉冲通过二尖瓣出现血液供应。第一个脉冲是由心脏的左心室的扩张(波E),第二个是由左心房的收缩(波)。这些冲动之间,有一个淀粉糖化酵素时间间隔期间心室的体积是不变的( 36, 37]。曲线的形式的脉动水供应泵通过二尖瓣的水费,由超声波流量计,记录显示在图 5(一个)。这里,l /分钟的流量测量脉冲时间的函数。曲线1和2模拟左心室的血液流经一个小的人(泵功率的71%)和曲线3 - 5模拟左心室的血液流经一个青少年(50%)。曲线1和3测量提供干净的水在半闭阀的操作条件下,测量和曲线2,4,5通过开放的二尖瓣供水。第一,冲动的水率较高,对应波E,心脏舒张期的第二个脉冲对应波。左心室模型内的压力变化如图所示 5 (b)开放的工作环境和半闭式二尖瓣舒张的过程。这里的数字曲线对应于图中所示 5(一个)。

脉动供水(a)和(b)压力变化在心室模型。

液体流过二尖瓣开放是分为三个——“中央和两侧飞机,示意图如图 6。当一个传单的心脏的机械bileaflet阀关闭,然后血液流动只有通过开放的传单。在这种情况下,流速的飞机开阀的传单和部分中部飞机增加。这种情况发生在一个关闭阀传单的血栓,只有开放的传单的机械心脏瓣膜是有效的。

计划的流体通过一个开放的二尖瓣。

压力波动依赖性,在不久的侧喷射后,测量的条件下开放和半闭式二尖瓣心脏瓣膜模拟心脏舒张期的一个少年和一个小的人图所示 7。在这些数据中,曲线1对应的操作条件开放二尖瓣,曲线2对应于半闭阀的操作条件。依照上面的结果,脉动压力波动或脉动水动力噪声强度的飞机在不久的阀后距离d几乎1.5倍的一个小的人,在操作条件下的半封闭式bileaflet机械二尖瓣心脏瓣膜开放的条件。

压力波动在不久之后的飞机开放和半闭式二尖瓣的泵的操作条件(a)和(b) 71% 50%。

短期研究结果的统计处理脉动供水通过二尖瓣心脏瓣膜允许我们单独的脉冲波E和波的舒张。在图 8显示的平均脉冲波E侧喷射的半封闭式和开阀,通过测量两个传感器,压力波动相互间距为0.4 d。曲线1由传感器测量范围为1.2 d二尖瓣下游,曲线2由传感器测量范围为1.6 d的阀门。录音的脉冲之间的时间延迟最大值为0.003和0.007年代操作条件的半封闭式和开阀和造型的小心脏手术的人。同时,最大的冲动首次观察到信号注册传感器位于靠近二尖瓣。这使得它可能确定的最大传输速度( 38- - - - - - 40]波E的舒张,这几乎是1.4 m / s的操作条件开放二尖瓣心脏和3.3 m / s的操作条件的半封闭式心脏瓣膜的小的人。

压力波动的波E附近侧喷射后的半封闭式(a)和(b)二尖瓣开放71%泵的操作条件。

变化的均方根(RMS)的压力波动值沿侧喷射脉冲频率为1赫兹在图所示 9(一个)操作条件的二尖瓣心脏瓣膜的少年,小的人。这里,测量曲线1和2的操作条件,泵浦功率的50%,和曲线3和4 - 71%的泵浦功率。曲线1和3测量二尖瓣开放和曲线2和4半闭阀。水动力噪声测量的积分特性的bileaflet阀当传感器块被沿着射流。压力波动的RMS值后的喷射二尖瓣的一个小的人超过1.5倍的少年几乎整个飞机。在半封闭的脉动流阀,水动力噪声的飞机比当阀门是开着的。这与研究静止的水流通过二尖瓣( 33, 35, 37]。压力波动水平逐渐下降当传感器从二尖瓣搬走了。

RMS的压力波动(a)和(b)的光谱水平。

沿着脉动压力波动的谱水平侧喷射半闭式二尖瓣的流出,当模拟心脏舒张期少年的心,在图所示 9 (b)。这里,曲线1测量距离d二尖瓣,曲线2测量距离为1.1 d,曲线3测量距离为1.2 d,曲线4测量距离为1.4 d,曲线5测量距离为1.8 d,和曲线6环境噪音。根据研究结果,频率范围20赫兹的动态测量范围超过30分贝。当二尖瓣的距离增加,光谱水动力噪声水平下降,尤其是强烈的脉动水流及其高次谐波的频率。谐波订单增长是由于非线性相互作用形成的涡流和喷气流流经心脏瓣膜及其与组件的交互的阀门和心脏。

压力波动的功率密度谱测量在不久的二尖瓣后沿着中央射流脉冲的频率1 Hz如图 10心脏舒张期的模型条件的少年,小的人。这里,曲线1和2被一个压力传感器,测量从二尖瓣的距离d,和曲线3和4是由压力传感器,测量从二尖瓣的距离为1.4 d。曲线1和3测量操作条件的半封闭式阀、测量和曲线2和4的操作条件开启阀门。的光谱依赖性,离散峰出现在脉动流的频率及其高次谐波。光谱的压力波动模拟心脏舒张期是什么时候的人高于模拟心脏舒张期是什么时候心脏节律的少年在整个频率范围的研究。

压力波动的功率密度谱在不久的二尖瓣后中央喷射泵的操作条件为50% (a)和(b)的71%。

研究结果表明,量的有效值压力波动的水动力噪声和中央飞机,从二尖瓣心脏瓣膜,是更大的一个小的人比一个少年,见图 9(一个)和图 (11日)。图 (11日)显示有效值的比值的压力波动沿射流下游的半封闭式和开阀。

压力波动的均方根值的比值(a)和水动力噪声的谱水平(b)的近侧喷射后二尖瓣心脏瓣膜。

曲线1测量二尖瓣心脏瓣膜的操作条件的少年,和2曲线测量的操作条件二尖瓣心脏瓣膜的小的人。观察压力波动的最大区别在不久的阀后,随着距离的增加阀门,RMS压力波动的比例逐渐减少。

功率密度的比值光谱的压力波动在不久之后的飞机半封闭式和开阀的操作条件的心脏瓣膜小人如图 11 (b)。曲线1测量的传感器被距离d二尖瓣,曲线2是由一个传感器,测量的距离被从这个阀1.4 d。比例最高的压力波动水平(5倍)是观察到的二次谐波的频率脉动水流。而且,当二尖瓣心脏瓣膜的距离增加,水动力噪声的频谱成分的比率的半封闭式和开阀都降低了。

 4所示。结论

发现水动力噪声的强度的脉动侧喷射在不久的后半封闭式bileaflet机械二尖瓣心脏瓣膜几乎是1.5倍开启阀门。压力波动的水动力噪声水平逐渐减少二尖瓣远离

成立的最大传输速度波E在左心室舒张模型的操作条件的开放二尖瓣的人几乎是1.4 m / s, 3.3 m / s的半封闭心脏瓣膜的操作条件

注册,光谱的水平压力波动时模拟心脏舒张期心脏瓣膜的小人高于当模拟心脏舒张期心脏瓣膜的少年在整个频率范围的研究(从0.1赫兹到1 kHz)。在水动力噪声的光谱依赖性,离散峰出现在脉动水流的频率和高次谐波。二尖瓣的距离的增加,水动力噪声的谱水平下降,特别是强烈脉动流的频率及其高次谐波。

数据可用性

可以按照客户要求所有的数据都包含在本研究通过与相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 作者的贡献

弗拉基米尔·Voskoboinick和奥列格Chertov构思的想法并帮助写手稿。弗拉基米尔•Voskoboinick Oleksandr Voskoboinyk, Lidiia Tereshchenko进行了实验研究。弗拉基米尔·Voskoboinick和安德烈Voskoboinick进行实验数据的处理和分析。弗拉基米尔·Voskoboinick和Lidiia Tereshchenko写主要的手稿文本。Oleksandr Voskoboinyk和安德烈Voskoboinick导致解释结果和准备数据。所有作者审查和编辑的手稿。手稿中列出所有作者同意手稿的内容和提交。

 确认

作者感谢教授的帮助Jurgen Prestin和阿尔贝托Redaelli领导和协调研究爱情和AMMODIT项目,詹弗兰科教授贝尼亚米诺Fiore里卡多Vismara助理教授,研究员费德里科•Lucherini积极参与实验工作。这项工作得到了项欧盟项目的从波斯尼亚到塞尔维亚的爱情(生命科学EU-Ukrainian数学家)赠款协议pirses - ga - 2011 - 295164爱情和AMMODIT(近似方法对分子模拟和诊断工具)项目参考:645672年,资助下:H2020-EU.1.3.3-under msca -增加- 2014(玛丽·斯卡洛多斯卡·居里研究和创新工作人员)的程序地平线2020。

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