Μελέτη αντλητικών φαινομένων σε ιατροβιολογικές εφαρμογές, μέσω αλληλεπίδρασης ροής ρευστού και κίνησης σώματος

Abstract

Valveless and valvate pumping phenomena are investigated experimentally and theoretically through cylindrical distensible tubes. The phenomenon of valveless pumping is studied experimentally in a loop consisting of two tubes, a soft and a hard one filled with salted water. A non zero mean flow-rate is established via a reciprocating flat plate mechanism compressing and decompressing a portion of the flexible tube with a controllable frequency and depth of compression. Four parameters of the problem were examined, namely the frequency of the oscillating plate, its length, the depth of compression and the location where the tube is compressed. Four signals were simultaneously recorded, namely the flow-rate at the mid length of the hard tube, the static pressure at the tube’s ends and the displacement of the oscillating plate. Also, the tube cross-sectional area was measured versus the displacement of the oscillating plate for various values of the maximum depth of compression. Analysis of the obtained data showed that a unidirectional flow is established increasing the frequency of compression and it maximizes when the compression frequency coincides with the natural frequency of the hydraulic loop. The mean value of the flow-rate increases when the point of compression moves far from the mid length of the flexible tube, when the length of the reciprocating plate increases and when the depth of compression increases. Additionally, the development of a theoretical model of valveless pumping and its numerical solution is presented, applied for the case of the closed hydraulic loop, consisting of a flexible and a rigid tube. The integration of the governing flow equations (continuity and momentum), over the tube cross-sectional area results in a quasi-one-dimensional unsteady model, considering axisymmetric flow of incompressible fluid with constant viscosity. There was also used a constitutive state equation, relating pressure and cross-sectional area, and assuming that the deformations of the thin-walled tubes are purely elastic. A system of nonlinear partial differential equations of the hyperbolic type is solved numerically, employing three finite difference schemes: Lax-Wendroff, MacCormack, and Dispersion Relation Preserving (DRP), the last being the most accurate one. Three functions in time and space are calculated, the cross-sectional area of the closed loop, the building up internal pressure and the velocity of the fluid inside the loop. A periodic compression and decompression of the flexible tube causes a unidirectional flow, under certain conditions. When the excitation takes place far from the midlength of the flexible tube, a phase difference between the pressures at the two edges of each tube is developed, being in advance the one that is closer to the excitation area. Increasing the tube occlusion or the length of the excited part of the loop the mean flow rate increases and maximizes at the natural frequency of the loop. Varying the excitation frequency both above and below the resonance frequency, local flow rate extremes appear, manifesting the complex character of the valveless pumping phenomenon. The simulated results maintain most of the characteristics found in the experiment. During early embryonic life, blood circulates in one direction through the primitive circulatory system, in spite of the complete lack of valves. The above mathematical model described the coordinated fashion of the blood circulation in the circulatory system of the embryo. The one-dimensional model is analysed numerically and solved with the DRP scheme, which is of fourth order accurate in time and space. The mean blood flow-rate depends on the embryonic heart rate and the contraction grade of the primordial heart tube. The pumping activity of the embryo circulatory system is shown by presenting the mean blood flow-rate as a function of embryonic heart rate for several contraction grades of the primordial heart tube. Furthermore, the phenomenon of valvate pumping is studied experimentally through a resilient tube, compressed by a two-cycle peristaltic pump mechanism. A prototype device was designed and manufactured in order to analyze the behaviour and reveal the characteristic curves of such a pump. This kind of pump can be used in medicine for nutrition, pumping blood and especially for drug infusion therapies. Concerning the manufacturing of this prototype device, an innovative mechanism was applied, regarding the camshaft of the pump, in order to achieve constant infusion flow-rate in time. The experimental set-up consists of two rigid overflow vessels filled with distilled water, communicating via a silicone rubber tube. Pumping is achieved from one vessel to the other by inducing a progressive deformation (shrinkage) on a segment of the silicone rubber tube through the pump. The flow-rate is measured by weighing the fluid-receiver vessel, which is placed on a single point load-cell platform. At low pumping frequencies the flow-rate is almost steady. Also it is shown that the flow-rate is mainly dependent on the rotating frequency of the pump and maximizes when the excitation frequency coincides with the natural frequency of the device.

Φαινόμενα άντλησης με ή χωρίς βαλβίδες εξετάζονται πειραματικά και θεωρητικά μέσω κυλινδρικών εύκαμπτων αγωγών. Το φαινόμενο της άντλησης ρευστού χωρίς βαλβίδες μελετάται πειραματικά σε κλειστό βρόχο αποτελούμενο από δύο αγωγούς, έναν εύκαμπτο και έναν άκαμπτο. Αναπτύσσεται μη μηδενική μέση χρονικά παροχή ρευστού όταν διεγείρεται τμήμα του εύκαμπτου αγωγού σε συγκεκριμένες συχνότητες και πλάτη διέγερσης. Η διέγερση επιτυγχάνεται μέσω συμπίεσης και αποσυμπίεσης του εύκαμπτου αγωγού από έναν κατάλληλο παλινδρομικό μηχανισμό. Εξετάζονται τέσσερις παράμετροι επιρροής του φαινομένου, η συχνότητα, το μήκος, το πλάτος και η θέση της διέγερσης. Καταγράφονται τα σήματα μέτρησης της παροχής στο μέσον του άκαμπτου αγωγού, οι τιμές της στατικής πίεσης στα άκρα του άκαμπτου αγωγού και η κατακόρυφη μετατόπιση της πλάκας συμπίεσης. Επιπλέον, προσδιορίζεται η παραμόρφωση της εγκάρσιας διατομής του ελαστικού αγωγού στην περιοχή της διέγερσης, κατά τη συμπίεση και αποσυμπίεσή του για διάφορα πλάτη διέγερσης. Τα αποτελέσματα φανερώνουν την ανάπτυξη ροής προς μία κατεύθυνση με την αύξηση της συχνότητας διέγερσης. Η ροή αυτή μεγιστοποιείται όταν η συχνότητα διέγερσης ταυτίζεται με την ιδιοσυχνότητα του υδραυλικού κυκλώματος. Η μέση χρονικά παροχή αυξάνει καθώς το σημείο διέγερσης απομακρύνεται από το μέσον του εύκαμπτου αγωγού και επίσης με την αύξηση του πλάτους ή του μήκους διέγερσης. Θεωρητικά το φαινόμενο της άντλησης χωρίς βαλβίδες μελετάται μέσω της ανάπτυξης ενός κατάλληλου ψευδο-μονοδιάστατου μοντέλου που επιλύεται αριθμητικά, θεωρώντας ξανά κλειστό βρόχο ενός εύκαμπτου και ενός άκαμπτου αγωγού. Οι εξισώσεις του μοντέλου διαμορφώνονται με την ολοκλήρωση των εξισώσεων ροής (συνέχειας και ορμής) επί της εγκάρσιας διατομής του κλειστού βρόχου, θεωρώντας αξονοσυμμετρική ροή ασυμπίεστου ρευστού με σταθερό ιξώδες. Χρησιμοποιείται επίσης μία καταστατική εξίσωση που σχετίζει την αναπτυσσόμενη πίεση με την μεταβαλλόμενη εγκάρσια διατομή του βρόχου, έχοντας υποθέσει λεπτά ελαστικά τοιχώματα αγωγών με γραμμικές παραμορφώσεις. Επιλύεται αριθμητικά μη γραμμικό σύστημα μερικών διαφορικών εξισώσεων υπερβολικού τύπου, μέσω τριών αριθμητικών σχημάτων: Lax-Wendroff, MacCormack, και Dispersion Relation Preserving (DRP), το οποίο παρουσιάζει και την υψηλότερη ακρίβεια. Οι τρεις άγνωστες συναρτήσεις που υπολογίζονται στο χώρο και το χρόνο είναι η εγκάρσια διατομή του κλειστού κυκλώματος, η αναπτυσσόμενη εσωτερική πίεση του ρευστού και η ταχύτητά του. Σε κάποιο σημείο του εύκαμπτου αγωγού η περιοδική διέγερση προκαλεί κατευθυνόμενη ροή του ρευστού υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Όταν η διέγερση απομακρύνεται από το μέσον του εύκαμπτου αγωγού, αναπτύσσεται διαφορά φάσης μεταξύ των κυματομορφών της πίεσης στα σημεία σύνδεσης των δύο αγωγών. Η κυματομορφή της πίεσης που προηγείται είναι αυτή που διαμορφώνεται στο σημείο σύνδεσης των δύο αγωγών που είναι πιο κοντά στη διέγερση. Με αύξηση του πλάτους ή του μήκους του διεγειρόμενου τμήματος του κλειστού κυκλώματος, η μέση χρονικά παροχή αυξάνει και μεγιστοποιείται στην ιδιοσυχνότητα του συστήματος. Μεταβάλλοντας τη συχνότητα διέγερσης στο πεδίο μακριά της συχνότητας συντονισμού, εμφανίζονται τοπικά ακρότατα της συνάρτησης της μέσης χρονικά παροχής με τη συχνότητα, τα οποία αναδεικνύουν τον περίπλοκο χαρακτήρα του φαινομένου της άντλησης χωρίς βαλβίδες. Τα αποτελέσματα του μοντέλου παρουσιάζουν την ίδια συστηματικότητα με τα αντίστοιχα του πειράματος, διατηρώντας τα περισσότερα χαρακτηριστικά και τάσεις στις μεταβολές. Κατά το πρώιμο στάδιο κύησης του εμβρύου το αίμα κυκλοφορεί προς μία κατεύθυνση στο πρωταρχικό κυκλοφορικό σύστημα του εμβρύου, παρότι οι βαλβίδες απουσιάζουν. Το παραπάνω θεωρητικό μοντέλο επιλύεται με αριθμητικά δεδομένα από τη φυσιολογία του εμβρύου, γι’ αυτό το πρώιμο στάδιο κύησης, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο DRP 4ης τάξης ακρίβειας στο χώρο και το χρόνο. Το μέγεθος της μέσης παροχής του αίματος εξαρτάται από τους εμβρυϊκούς καρδιακούς παλμούς και το βαθμό συστολής του αρχέγονου καρδιακού σωλήνα. Η αντλητική ικανότητα του κυκλοφορικού συστήματος του εμβρύου εκφράζεται με τη μέση παροχή αίματος ως συνάρτηση των καρδιακών παλμών και του βαθμού συστολής του αρχέγονου καρδιακού σωλήνα. Το φαινόμενο της άντλησης με βαλβίδες μελετάται πειραματικά μέσω ενός ανατάξιμου εύκαμπτου αγωγού, ο οποίος συμπιέζεται από ένα μηχανισμό δίχρονης περισταλτικής αντλίας. Μία πρότυπη συσκευή έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί, ώστε να αναλυθεί η συμπεριφορά και να εξαχθούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες της δίχρονης περισταλτικής αντλίας. Περισταλτικές αντλίες αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται στην ιατρική σε εφαρμογές παρεντερικής διατροφής, άντλησης του αίματος και ειδικότερα σε έγχυση φαρμάκων. Για την κατασκευή της πρότυπης αντλίας, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας καινοτομικός μηχανισμός εκκεντροφόρου άξονα, ο οποίος επιτυγχάνει σταθερό ρυθμό έγχυσης. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από δύο δεξαμενές υπερχείλισης που συνδέονται μέσω ενός σωλήνα ελαστικού σιλικόνης. Το όλο σύστημα πληρώνεται με αποσταγμένο νερό και η άντληση επιτυγχάνεται από τη μία δεξαμενή στην άλλη με κατάλληλη προοδευτική συμπίεση ενός τμήματος του ελαστικού αγωγού μέσω του μηχανισμού της αντλίας. Η παροχή μετράται ζυγίζοντας τη δεξαμενή κατάθλιψης, η οποία είναι τοποθετημένη σε δυναμοκυψέλη γι’ αυτό το σκοπό. Για χαμηλές συχνότητες λειτουργίας η έγχυση είναι σχεδόν ομαλή χωρίς πάλμωση. Επίσης, η παροχή εξαρτάται κυρίως από τη συχνότητα περιστροφής του άξονα της αντλίας και μεγιστοποιείται γύρω από την ιδιοσυχνότητα της συσκευής.