Ignorar o impacto do acoplamento de duas vias na Interação Fluido-Estrutura (FSI) entre válvulas cardíacas protéticas e sangue durante o projeto de válvulas cardíacas protéticas (PHV) resultará em designs de válvulas que não atingem a melhor qualidade e, em última análise, poderá levar à insuficiência cardíaca.
Felizmente, o Simcenter STAR-CCM+ 2402 oferece todas as ferramentas necessárias para projetar para máxima longevidade e segurança de qualquer tipo de válvula.
35 milhões de batimentos por ano
Um coração bate incansavelmente aproximadamente 100 mil vezes por dia, totalizando o incrível número de 35 milhões de batidas em um ano.
A cada batida, as válvulas cardíacas diligentemente se abrem e se fecham, facilitando a tarefa vital de bombear sangue através de suas artérias. Servindo como entradas ou saídas de uma só via do músculo cardíaco para o ventrículo, essas válvulas impedem o fluxo de sangue no sentido contrário. Mas e se um dia houver uma falha neste dispositivo?
Focar na saúde cardiovascular é primordial, mas infelizmente, às vezes, mesmo que algumas pessoas cuidem muito bem, a realidade para alguns é que o coração pode um dia simplesmente não estar funcionando mais 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 redução da excursão sistólica e abertura da válvula, restringindo o fluxo sanguíneo 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 significativamente a carga de trabalho no coração e, em último caso, levarão à insuficiência cardíaca.
Saiba mais sobre o uso da simulação na medicina 4.0
A válvula cardíaca tricúspide
Algumas pessoas enfrentam problemas com suas válvulas naturais, levando à necessidade de substituí-las por próteses. Considerando a carga de trabalho extraordinária do coração de mais de 35 milhões de ciclos anuais, o design cuidadoso e preciso dessas válvulas cardíacas protéticas tricúspide não é apenas importante, mas crítico.
Por conta disso, esse artigo irá demonstrar como as simulações de Interação Fluido-Estrutura (FSI) podem ajudar os engenheiros no design de válvulas cardíacas protéticas (PHV) mais seguras e duradouras, além de orientar para os efeitos que uma abordagem multifísica terá na melhoria da precisão e confiabilidade das simulações de válvulas cardíacas e compará-la com uma abordagem de única física.
Modelar aplicações de Interação Fluido-Estrutura (FSI) acopladas de duas vias, onde um fluido denso interage com uma estrutura flexível e vice-versa, é um dos desafios mais complexos no domínio da multifísica. Para prever a interação dinâmica entre fluido e estrutura, os engenheiros precisam de capacidades de simulação sofisticadas dedicadas.
Embora modelar o FSI em uma válvula cardíaca seja um desafio de engenharia altamente complexo, ele tem o potencial de transformar o cotidiano de muitos, para melhor.
Por que FSI (Interação Fluido-Estrutura)?
Nesse artigo, a SIEMENS demonstrou a simulação das dinâmicas de abertura e fechamento de uma PHV no Simcenter STAR-CCM+.
Apesar da natureza altamente não linear desse comportamento, onde a membrana fina experimenta uma instabilidade snap-through na transição entre as posições aberta e fechada com virtualmente zero rigidez, o software capturou com sucesso esses movimentos.
Em sua configuração, a abertura e o fechamento da válvula foram conduzidos por uma condição de contorno de pressão na superfície da membrana, 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 totalmente nova e poderia ter sido feita com outras ferramentas de simulação também. Porém, mais importante ainda, um efeito significativo foi ignorado aqui – as membranas da válvula não operam isoladamente, cada movimento minúsculo de uma membrana afeta o sangue circundante, criando flutuações de pressão, modificando padrões de fluxo ou até mesmo induzindo turbulência. Simultaneamente, o movimento do fluido e a pressão exercida na superfície da membrana induzem ou amortecem deformações e acelerações da membrana.
Devido à alta densidade do sangue, a relação entre a massa da membrana e a massa de fluido deslocada pela membrana é quase um. Juntamente com a rigidez muito baixa da membrana, isso indica um forte acoplamento bidirecional entre fluido e sólido.
Desconsiderar essas fortes interações entre fluido e estrutura levará a previsões imprecisas da dinâmica da válvula. O vídeo abaixo fornece uma comparação visual da dinâmica da membrana com e sem considerar os efeitos da FSI, por exemplo, o efeito amortecedor do sangue na membrana e a aceleração do sangue através do deslocamento da membrana.
Como você pode ver, ignorar o FSI bidirecional leva a uma superprevisão da velocidade de abertura e fechamento da válvula, o que por sua vez pode levar a um design de membrana que não se abre e fecha rapidamente o suficiente ao interagir com o sangue circundante.
Como mencionado anteriormente, isso causará Estenose e Insuficiência e aumentará a carga de trabalho no coração, com a insuficiência cardíaca como resultado potencial.
O próximo vídeo mostra a diferença na forma e no tamanho do orifício durante a abertura da válvula entre uma simulação sem FSI e com os efeitos da FSI incluídos. É evidente que o acoplamento entre o sangue e a estrutura da membrana não apenas afeta a velocidade com que a válvula se abre, mas também a forma do orifício uma vez que a válvula está aberta.
Isso mostra que apenas uma simulação correta de todos os efeitos FSI bidirecionais permitirá projetar uma forma e espessura de membrana ótimas com eficiência máxima e longevidade e, portanto, segurança para o paciente.
O desafio de modelar um forte acoplamento bidirecional em FSI
A modelagem da interação fluido-estrutura (FSI) bidirecional apresenta desafios inerentes devido às distintas físicas e dinâmicas 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 segue as equações de Navier-Stokes incompressíveis e o sólido segue uma lei material hiperelástica, acoplar essas equações torna-se um empreendimento complexo, especialmente na interface fluido-estrutura.
Nesse sentido, duas condições físicas fundamentais devem ser satisfeitas nesta interface. A condição cinemática dita velocidades idênticas para fluido e sólido, essencialmente impedindo que o fluido se separe 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 bidirecional como a válvula cardíaca tricúspide protética, as membranas finas deslocam uma massa substancial de sangue e encontram grandes variações de pressão, levando a deformações e acelerações extensas, tornando inerentemente desafiador satisfazer as duas condições físicas.
Enfrente os problemas FSI (Interação Fluido-Estrutura) mais difíceis com o Simcenter STAR-CCM+ 2402
O Simcenter STAR-CCM+ 2402 aborda esses desafios ao introduzir o novo Método de Estabilização Dinâmica FSI (Interação Fluido-Estrutura) e o esquema de integração de segunda ordem de diferenciação retroativa para sólidos. Esses recursos melhoram significativamente a convergência e a estabilidade em simulações de sistemas complexos e garantem plena consistência cinemática através da interface FSI para integração temporal de primeira e segunda ordem.
Além disso, satisfazer a conservação geométrica é crucial, exigindo que as malhas fluidas e sólidas se movam sincronicamente nas interfaces. O Simcenter STAR-CCM+ se destaca nesse aspecto por meio do uso eficaz de deformação de malha, malhas sobrepostas e remalhamento dinâmico, garantindo movimento harmonizado das malhas mesmo nesse caso, onde as grandes deformações das membranas levam a grandes mudanças no domínio fluido.
Modelagem mais precisa, estável e confiável de FSI bidirecional
Essencialmente, esses avanços no Simcenter STAR-CCM+ abrem caminho para uma modelagem mais precisa, estável e confiável de FSI forte bidirecional, especialmente em aplicações como válvulas cardíacas protéticas. Esta é uma das instâncias onde a CFD pode literalmente ser chamada de transformadora.
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