Influência do ciclo cardíaco no fluxo sanguíneo na vizinhaça da bifurcação ilíaca

Abstract

As doenças cardiovasculares são a principal causa de morte na Europa e nos Estados Unidos da América. Uma das doenças cardiovasculares mais comuns é a aterosclerose, que se caracteriza pela presença de depósitos na camada mais interna das paredes das artérias de pequeno e médio tamanho, incluindo substâncias gordas, cálcio, elementos e outros produtos transformados pela corrente sanguínea. Ao conjunto destes depósitos chama-se placa, originando espessamento e endurecimento das paredes arteriais. A formação de placas é, normalmente, mais comum em zonas de fluxo complexo, ocorrendo normalmente devido a bifurcações, curvaturas e junções tipo-T das artérias. Este projecto tem por objectivo quantificar a relação entre a aterosclerose e o comportamento da hemodinâmica, numa artéria bifurcada sob condições de fluxo pulsátil. Neste trabalho é apresentado um estudo numérico e experimental do comportamento do fluxo sanguíneo em geometrias propícias à formação de placas nas paredes arteriais, sob condições fisiológicas e anatómicas aproximadas à realidade. Efectuou-se um estudo numérico usando dois programas comerciais: o Gambit para criação da geometria e da malha, e o Fluent para a computação dinâmica de fluidos (CFD). O fluxo sanguíneo é turbulento sendo simulado pelas equações de Navier- Stokes, para fluidos incompressíveis. Para validação destes estudos, projectou-se e construiu-se uma instalação experimental, capaz de reproduzir o ciclo cardíaco infrarenal, particular da aorta abdominal a montante das artérias renais. O perfil deste ciclo pulsátil apresenta a especificidade de induzir um fluxo reverso, de sentido negativo, de reprodução laboratorial complexa. Para reproduzir o fluxo sanguíneo transiente, foi projectado um sistema mecânico designado por came-seguidor, em simultâneo com um dispositivo hidráulico para o controlo do fecho que acciona cilindros de duplo efeito. Os ensaios laboratoriais basearam-se na utilização de um sistema de anemometria laser por efeito Doppler (LDA) de dois componentes, em backscatter. Atendendo à pequena dimensão da zona de ensaio, usou-se uma lente de transmissão de reduzida distância focal para aumentar a resolução do equipamento de medida. Os estudos experimentais e numéricos permitiram analisar o campo de velocidades em todo o domínio geométrico da bifurcação ilíaca. Verificou-se a formação de uma zona de recirculação de fluido, em cada uma das duas artérias ilíacas, imediatamente a jusante da bifurcação, sendo consequentemente um local propício à deposição de placas. Concluiu-se que a aterosclerose se desenvolve essencialmente na fase de desaceleração do ciclo cardíaco, devido à elevada oscilação das tensões de corte nas paredes e aumento das dimensões da zona de recirculação verificados, que se mantém estável por períodos longos. A distribuição desequilibrada do escoamento pelas duas artérias ilíacas promove a formação de recirculação naquela que está sujeita a menor caudal. Os factores que podem afectar a doença são a geometria da bifurcação ilíaca, como a sua forma e diâmetro, e as diferentes distribuições de fluxo à saída das artérias ilíacas provocadas por possíveis estenoses das artérias subsequentes.

Cardiovascular diseases are the leading cause of death in Europe and in the United States of America. One of the most common cardiovascular diseases is atherosclerosis, which is characterized by the presence of deposits in intimal wall of small and medium arteries, including fat substances, calcium, elements and others products transformed of blood flow. This set of deposits is called plaque originating a kind of arterial wall thickness. The plaque development occurs more often at complex flow zones, where the artery is bifurcated, curved and has a junction. The objective of this research is to quantify the relationship between atherogenesis and features in hemodynamics, assuming a pulsatile blood flow within a bifurcated circular segment of an artery with circular cross-section. This work will present an experimental and numeric study of blood flow in complex geometries propitious to plaque development at arterial walls, under some assumptions of the realistic physiologic and anatomic conditions. The numerical research was carried out using two commercial software’s: Gambit for the geometry and grid generation, and Fluent for the Computational Fluid Dynamic (CFD). Blood flow is turbulent and well predicted by the incompressible form of the Navier-Stokes equations. To validate these studies, it was designed and built an experimental facility, able to reproduce the infra-renal cardiac cycle, particular of the abdominal aorta downstream the renal arteries. The pulsatile profile of this cycle presents the specificity of including a period of reverse flow, or a backflow, and so of complex laboratorial reproducibility. In this purpose, it was designed a mechanism, named came-follower, combined with a hydraulic close-control device that actuates double effect rams. The laboratory experiments were based on a two component Laser Doppler Anemometry (LDA) technique, operating in backscatter. Because of the small dimension of the test section, it has been used a lens of small focal distance transmission to increase the spatial resolution of the measuring equipment. These tests validated the numerical studies. The experimental and numerical studies allowed the velocity distribution analysis along the geometric domain. It was observed the formation of a recirculation bubble, in each of the two iliac arteries, immediately downstream the iliac bifurcation, being consequently, a region prone to the plaque deposition. It was concluded that the atherosclerosis is essentially developed during the deceleration phase of the cardiac cycle, due to the high oscillation of the wall shear stress that increase the size and duration of the recirculation bubble. Unbalanced flow distribution in the iliac arteries enhances the likelihood of flow separation in the starved branch of the cardiovascular system. The parameters that may affect the disease are the iliac bifurcation geometry, such as its form and diameter, and different distributions of the outflow by the two iliac arteries, probably due to stenosis in the subsequent arteries.