Our study was designed to test the hypothesis that flowfield properties such as WSS are closely related to cardiovascular disease. The spatial distribution patterns of several hemodynamic indices (gradient of WSS) were examined and compared with the (known) locations of plaque formation in human aorta. The part of the aorta on which we focused is ascending, aortic arch and descending aorta. Blood flow is influenced by vessel wall motion. Fluid Structure Interaction (FSI) is also investigated and discussed during the description of hemodynamic environment that leads to plaque formation in human aorta. Our Data were DICOM files from Computed Tomography (CT) scans. Using Vascular Modeling Toolkit (VMTK) and these scans as the input, we choose level set segmentation method to extract the geometry of the vessel needed for the simulation. ANSYS CFX Solver was used for the simulation of blood flow. The present numerical study revealed a direct correlation between low WSS values and atherosclerotic plaque localization. The results indicate also that Oscillating Shear Index (OSI) shows clearly points where the possibility of atherogenesis is high enough to be ignored. FSI provides unimportant details when we focused on plaque formation. / Η παρούσα εργασία μελετά την υπόθεση που συνδέει τις ιδιότητες του πεδίου ροής, όπως οι διατμητικές τάσεις (Wall Shear Stresses), με καρδιαγγειακές παθήσεις. Η χωρική κατανομή διάφορων δεικτών αιμοδυναμικής φύσεως (όπως η βάθμωση των διατμητικών τάσεων) μελετήθηκε και τα σημεία που εντοπίστηκαν ως ύποπτα για την ανάπτυξη αθηρωματικών πλακών συγκρίθηκαν με γνωστές από τη βιβλιογραφία περιοχές σχηματισμού τέτοιων φλεγμονών στην ανθρώπινη αορτή. Το τμήμα της αορτής στο οποίο εστιάσαμε είναι η ανιούσα, το αορτικό τόξο και η κατιούσα αορτή. Εξετάστηκε απίσης το ενδεχόμενο να επηρεάζεται η ροή του αίματος από την κίνηση του αρτηριακού τοιχώματος.

Γενικά οι μη επεμβατικές τεχνικές παρουσιάζουν υψηλή ειδικότητα και ευαισθησία για τον καθορισμό του βαθμού της αρτηριακής στένωσης. Για τον λόγο αυτό οι μη επεμβατικές τεχνικές απεικόνισης είναι στην πρώτη γραμμή της διάγνωσης εμφραγμάτων κυκλοφορίας. Η μαγνητική αγγειογραφία (magnetic resonance angiography-MRA) έχει μια σημαντική θέση για την απεικόνιση αρτηριών και ιδιαίτερα των καρωτιδικών ανάμεσα στις μη επεμβατικές μεθόδους λόγω και της μη ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Το βασικό πλεονέκτημα της MRA είναι η δυνατότητα απεικόνισης αιμοφόρων αγγείων σε μορφή ανάλογη με την ψηφιακή αγγειογραφία (digital subtraction angiography-DSA). Μπορούν να παραχθούν πολλαπλές προβολές των αρτηριών με τεχνικές μετά-επεξεργασίας, προσφέροντας μάλιστα περισσότερες πληροφορίες σχετικά με χαρακτηριστικά της ροή στην στένωση πέρα της εκτίμησης του ποσοστού της. Δημιουργούνται όμως ερωτήματα στο κατά πόσο η έμμεση εκτίμησης του ποσοστού μέσω της μείωσης της μέγιστης ταχύτητας ροής του ρευστού, είναι αξιόπιστη μέθοδος λαμβάνοντας υπόψη τα φαινόμενα στα οποία υπόκεινται οι πυρήνες, όντας φορείς της πληροφορίας και εκπομποί του σήματος, όπως η τυρβώδη ροή και τα φαινόμενα jet. / --

Cette thèse porte sur l’étude des interactions entre les globules rouges (GRs)et l’endothélium, la couche des cellules qui délimite les vaisseaux sanguins.Il a été démontré que l’endothélium et les GRs jouent des rôles actifs dans divers processus du système vasculaire, et leurs interactions produisent un signal bio chimique grâce à des moyens à la fois chimiques (molécules de signalisation) et mécaniques (taux de cisaillement sur les parois). D’abord,nous étudions le rôle des GRs, y compris dans des conditions pathologiques, dans la création de contraintes de cisaillement spatialement et temporellement dynamiques sur l’endothélium. Il a été montré que les contraintes de cisaillement constituaient un élément critique dans le déclenchement d’un signal bio mécanique depuis l’endothélium. Par ailleurs, étant donné qu’il a été montré que les parois des vaisseaux sanguins ondulent en raison des cellules endothéliales individuelles qui le composent, nous avons intégré à notre modélisation cette géométrie. On trouve que cette ondulation affecte la dynamique des GRs dans l’écoulement ainsi que le taux de cisaillement sur les parois. Nous étudions rapidement dans quelle mesure la déformabilité d’un GR affecte sa trajectoire dans un vaisseau ondulé. Pour cela, nous nous inspirons du processus de fonctionnement un appareil de déplacement latéral déterministe (DLD) qui utilise les variations de trajectoires des particules en fonction de leur taille pour les séparer dans l’écoulement. Nous étudions par ailleurs l’effet des suspensions de GRs sur les caractéristiques rhéologiques et les contraintes de cisaillement sur la paroi du vaisseau.Finalement, nous nous adressons à les interaction chimiques en développons un modèle numérique avec la méthode de Boltzmann sur réseaux-limite immergée (LB-IBM) pour résoudre la diffusion et l’advectiond’un soluté libéré par un particule en mouvement et déformable. L’oxygène et l’adénosine triphosphate (ATP) sont toutes les deux libérées par les GRs,se diffusent dans l'écoulement, et sont absorbées par l’endothélium. Ils représentent des facteurs de signalisation critiques pour les processus de l’inflammation et vasodilatation. Nous montrons que la morphologie des GRs affectera le temps de résidence et la dilution des espèces chimiques lorsqu’elles rentreront en contact avec la paroi du vaisseau. Ensemble, ces éléments nous conduisent vers la développement d’un modèle capable de simuler des processus vitaux du système vasculaire qui résultent d’événements locaux de composants individuels. / This thesis is devoted to the study of the interactions between red blood cells (RBCs) and the endothelium, the monolayer of cells lining blood vessels. The endothelium and RBCs have been shown to be active participants in various processes in the vascular system, and their interactions trigger biochemical signalling by mechanical (wall shear stress) and chemical (signalling molecules) means. We first investigate the role of RBCs, including pathological conditions, in creating time- and space-varying shear stress on the endothelium. Shear stress has been shown to be a critical element in biochemical signalling from the endothelium. In addition, as it has been shown that the endothelium is undulating due to the individual endothelial cells comprising it, we take this into account in our model of the geometry of the vessel wall. We find that this undulation affects the dynamics of the RBCs in the flow and the wall shear stress. We briefly explore how the deformability of a single RBC affects its trajectory in undulating channels, inspired by the idea behind deterministic lateral displacement devices (DLDs) which exploit the differing trajectories of particles based upon their sizes to separate them in flow. We also investigate the effect of suspensions of RBCs in undulating channels on rheological properties and wall shear stress. Finally, we address the chemical interactions by building a numerical model with the lattice Boltzmann-immersed boundary method (LB-IBM) to solve advection-diffusion of solute released from moving, deformable particles. Oxygen and adenosine triphosphate (ATP) are both released by RBCs and are advected and diffused in the flow and uptaken by the endothelium and serve as critical signalling factors in inflammation and vasodilation. We find that the morphology of RBCs will affect the residence time and dilution of the chemical species upon contact with the wall. Together, these elements lead us towards the development of a model capable of simulating vital processes in the vascular system which result from local interactions of individual components.

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. / 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.