O avanço da bioengenharia atual tem sido motivado pela crescente necessidade da humanidade em se buscar formas para amenizar o sofrimento, garantir tempo para um tratamento, melhorar a qualidade de vida ou sanar quadros clínicos de pacientes. Assim, a crescente necessidade de órgãos artificiais impulsiona a área de bioengenharia para que seja dado um suporte no desenvolvimento destes mecanismos. Neste contexto se encontra o presente trabalho. Aqui, apresenta-se uma metodologia numérica para que seja aplicada a desenvolvimento e testes de Dispositivos de Assistência Cardíaca, de forma a otimizar o processo de desenvolvimento e estimar os possíveis problemas inerentes ao seu funcionamento. Compondo a metodologia, uma ampla discussão de cada etapa numérica foi elaborada, contribuindo para uma metodologia flexível para uma ampla variedade de aplicações. A hemólise também foi investigada através dos principais modelos da literatura, bem como foram propostos modelos adaptados para tentar estimar a hemólise verificada experimentalmente. Além das metodologias para cada etapa, uma metodologia geral utilizando Sistemas de Referências Múltiplas (SRM) compõe os resultados, para uma sequência de passos numéricos que possa obter resultados satisfatórios em comparação com resultados de bancada por loop test. Outros resultados encontrados e devidamente discutidos foram inerentes a uma densidade de malha a ser utilizada para que ocorra simulações com independência de malha, na qual uma densidade a partir de 318,43 elementos/mm³ para referenciais não-inerciais é proposta. O mapeamento da turbulência por seis modelos que aplicam a média de Reynolds também é discutido, indicando os melhores modelos a serem empregados para um número de Reynolds relativo (Re*) que relaciona a influência dos contornos nos resultados numéricos obtidos. Além disso, uma nova abordagem por tensão fisiológica é proposta para o cálculo da hemólise, sendo comparada aos modelos clássicos adotados. Os resultados para hemólise indicam um bom ajuste para o novo modelo proposto, bem como indica o correto tratamento de unidades para os modelos tradicionais. Por fim, as análises recaem na melhoria do dispositivo e conclui a metodologia numérica a ser empregada, preenchendo lacunas em cada etapa e determinando uma maneira de análise numérica cujos resultados são confiáveis. / The advance of current bioengineering has been driven by the increasing need of humanity to seek ways to alleviate the suffering, ensure time to treatment, improve the quality of life or cure medical conditions of patients. Thus, the growing need for artificial organs boosts bioengineering area to be given a support in the development of these mechanisms. In this context is the present work. Here, we present a numerical methodology to be applied to development and Cardiac Assist Devices tests in order to optimize the development process and estimate the potential problems inherent in their operation. Compounding the methodology, a comprehensive discussion of each numerical step was developed, contributing to a flexible methodology for a wide variety of applications. Hemolysis was also investigated through the main models of literature, and have been proposed models adapted to try to estimate hemolysis verified experimentally. In addition to the methodologies for each step, a general methodology using Multiple Reference Systems (MRF) makes up the results for a sequence of numeric steps you can get satisfactory results compared to bench test results for loop. Other findings were discussed and properly attached to a mesh density being used for simulations occurring independently mesh in which a density from 318.43 elements/mm³ Non-inertial frames is proposed. The mapping of turbulence six models applying Reynolds medium is also discussed, indicating the best designs to be employed for a number of relative Reynolds (Re*) that relates the influence of the contours of numerical results obtained. In addition, a new approach by physiological stress is proposed for the calculation of hemolysis, being compared to classic models adopted. The results for hemolysis indicate agreement with the proposed new model, and indicates the correct treatment units to the traditional models. The final analyses fall into improved device and completes the numerical methodology to be used by filling gaps in each step and determining a way to numerical analysis results which are dependable.

O avanço da bioengenharia atual tem sido motivado pela crescente necessidade da humanidade em se buscar formas para amenizar o sofrimento, garantir tempo para um tratamento, melhorar a qualidade de vida ou sanar quadros clínicos de pacientes. Assim, a crescente necessidade de órgãos artificiais impulsiona a área de bioengenharia para que seja dado um suporte no desenvolvimento destes mecanismos. Neste contexto se encontra o presente trabalho. Aqui, apresenta-se uma metodologia numérica para que seja aplicada a desenvolvimento e testes de Dispositivos de Assistência Cardíaca, de forma a otimizar o processo de desenvolvimento e estimar os possíveis problemas inerentes ao seu funcionamento. Compondo a metodologia, uma ampla discussão de cada etapa numérica foi elaborada, contribuindo para uma metodologia flexível para uma ampla variedade de aplicações. A hemólise também foi investigada através dos principais modelos da literatura, bem como foram propostos modelos adaptados para tentar estimar a hemólise verificada experimentalmente. Além das metodologias para cada etapa, uma metodologia geral utilizando Sistemas de Referências Múltiplas (SRM) compõe os resultados, para uma sequência de passos numéricos que possa obter resultados satisfatórios em comparação com resultados de bancada por loop test. Outros resultados encontrados e devidamente discutidos foram inerentes a uma densidade de malha a ser utilizada para que ocorra simulações com independência de malha, na qual uma densidade a partir de 318,43 elementos/mm³ para referenciais não-inerciais é proposta. O mapeamento da turbulência por seis modelos que aplicam a média de Reynolds também é discutido, indicando os melhores modelos a serem empregados para um número de Reynolds relativo (Re*) que relaciona a influência dos contornos nos resultados numéricos obtidos. Além disso, uma nova abordagem por tensão fisiológica é proposta para o cálculo da hemólise, sendo comparada aos modelos clássicos adotados. Os resultados para hemólise indicam um bom ajuste para o novo modelo proposto, bem como indica o correto tratamento de unidades para os modelos tradicionais. Por fim, as análises recaem na melhoria do dispositivo e conclui a metodologia numérica a ser empregada, preenchendo lacunas em cada etapa e determinando uma maneira de análise numérica cujos resultados são confiáveis. / The advance of current bioengineering has been driven by the increasing need of humanity to seek ways to alleviate the suffering, ensure time to treatment, improve the quality of life or cure medical conditions of patients. Thus, the growing need for artificial organs boosts bioengineering area to be given a support in the development of these mechanisms. In this context is the present work. Here, we present a numerical methodology to be applied to development and Cardiac Assist Devices tests in order to optimize the development process and estimate the potential problems inherent in their operation. Compounding the methodology, a comprehensive discussion of each numerical step was developed, contributing to a flexible methodology for a wide variety of applications. Hemolysis was also investigated through the main models of literature, and have been proposed models adapted to try to estimate hemolysis verified experimentally. In addition to the methodologies for each step, a general methodology using Multiple Reference Systems (MRF) makes up the results for a sequence of numeric steps you can get satisfactory results compared to bench test results for loop. Other findings were discussed and properly attached to a mesh density being used for simulations occurring independently mesh in which a density from 318.43 elements/mm³ Non-inertial frames is proposed. The mapping of turbulence six models applying Reynolds medium is also discussed, indicating the best designs to be employed for a number of relative Reynolds (Re*) that relates the influence of the contours of numerical results obtained. In addition, a new approach by physiological stress is proposed for the calculation of hemolysis, being compared to classic models adopted. The results for hemolysis indicate agreement with the proposed new model, and indicates the correct treatment units to the traditional models. The final analyses fall into improved device and completes the numerical methodology to be used by filling gaps in each step and determining a way to numerical analysis results which are dependable.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:57:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseRafaelBonfim_Parte 1.pdf: 5431455 bytes, checksum: be0247865c34fb331242737ca9f5de5f (MD5) Previous issue date: 2013-07-16

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissertationDRGolbert_versao_final.pdf: 9706339 bytes, checksum: 45a86747e8469ad89e82dc19d8322037 (MD5) Previous issue date: 2009-03-25 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / The goal of this work is to study de modeling of incompressible fluid flows through the Lattice-Boltzmann method (LBM). In this class of methods the equations based on mesoscopic kinetics allow us to model the macro-continuum behavior of the fluid dynamics. Therefore, a theoretical study of the LBM is performed including the analyses of different equilibrium distributions, lattice models, its relationships with the Boltzmann equation as well as its asymptotic approximation to the Navier-Stokes equations. On the other hand, aspects related to the imposition of boundary conditions are also studied, identifying adequate procedures to the problems here presented. Posteriorly, a detailed study of numerical nature about the performance of the LBM in the computational simulation of fluid flows is developed, involving stationary and transient problems, for cases in 2D and 3D. Once we have insight on the main characteristics of the model, techniques for the tuning of LBM's parameters are introduced with the purpose of attaining consistent and reliable results, according to the physical conditions of the problems under consideration. These techniques are employed with emphasis in 3D time dependent problems, whose characteristics are similar to those found in the blood flow modeling in arteries. / O objetivo deste trabalho é estudar a modelagem do escoamento de fluidos incompressíveis mediante o método de Lattice-Boltzmann (LBM). Nesta classe de métodos as equações baseadas na cinética mesoscópica nos permitem modelar o comportamento macro-contínuo da dinâmica de fluidos. Desta forma, realiza-se um estudo teórico do LBM incluindo a análise de diferentes distribuições de equilíbrio, modelos de lattice, suas relações com a equação de Boltzmann assim como sua aproximação assintótica às equações de Navier-Stokes. Por outro lado, estudam-se os aspectos relacionados à imposição de condições de contorno identificando procedimentos adequados para os problemas aqui tratados. Posteriormente, realiza-se um estudo detalhado de caráter numérico sobre o desempenho do LBM na simulação computacional de escoamentos de fluidos, envolvendo problemas estacionários e transientes, para casos em 2D e 3D. A partir do conhecimento das características do modelo, desenvolvem-se técnicas para efetuar a calibração dos parâmetros do LBM visando à obtenção de resultados coerentes e confiáveis de acordo às condições físicas do problema. Estas técnicas são empregadas com ênfase em problemas 3D dependentes do tempo, e cujas características são similares às encontradas na modelagem do escoamento sanguíneo em artérias.

O objetivo deste trabalho é estudar a modelagem do escoamento de fluidos incompressíveis mediante o método de Lattice-Boltzmann (LBM). Nesta classe de métodos as equações baseadas na cinética mesoscópica nos permitem modelar o comportamento macro-contínuo da dinâmica de fluidos. Desta forma, realiza-se um estudo teórico do LBM incluindo a análise de diferentes distribuições de equilíbrio, modelos de lattice, suas relações com a equação de Boltzmann assim como sua aproximação assintótica às equações de Navier-Stokes. Por outro lado, estudam-se os aspectos relacionados à imposição de condições de contorno identificando procedimentos adequados para os problemas aqui tratados. Posteriormente, realiza-se um estudo detalhado de caráter numérico sobre o desempenho do LBM na simulação computacional de escoamentos de fluidos, envolvendo problemas estacionários e transientes, para casos em 2D e 3D. A partir do conhecimento das características do modelo, desenvolvem-se técnicas para efetuar a calibração dos parâmetros do LBM visando à obtenção de resultados coerentes e confiáveis de acordo às condições físicas do problema. Estas técnicas são empregadas com ênfase em problemas 3D dependentes do tempo, e cujas características são similares às encontradas na modelagem do escoamento sanguíneo em artérias.

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The hypothesis of arteries developing lesions due to its morphology, known as geometric risk factors and/or due to hemodynamic forces, has been raised more than thirty years ago. Although investigators have found connection between geometric/hemodynamic variables and lesions, there exists no quantifiable index that helps physicians to predict actual risks. Even when a severe lesion is present, recent studies have found that some patients can develop collateral circulation to provide sufficient blood flow to the myocardium, thus avoiding ischemia. In turn, the gold standard for functional stenosis assessment is an invasive medical exam called Fractional Flow Reserve (FFR). Moreover, these studies are expensive, require highly qualify professionals and involve risks to the patient during intervention. In this context, the goals of the proposed thesis are (i) to fully characterize coronary arterial trees from a geometrical perspective, search for hereditary geometric features and correlations between morphology and disease; (ii) to construct a modeling methodology for the estimation of FFR making use of computational fluid dynamic models built on top of patient-specific medical images of coronary arterial networks. Results for goal (i) include the geometric characterization of a patient sample consisting of siblings. Several studies involving standard and non-traditional geometry-based indexes, in which associations between geometry and lesion presence was found, as well as indications of arterial geometry heritability between siblings. Regarding hemodynamic simulations in the context of FFR, i.e. goal (ii), a novel technique to define patient-specific boundary conditions in 3D models was presented and tested; the impact of image modality, i.e. coronary computed tomography (CCTA) and intravascular ultrasound (IVUS), on hemodynamics variables was assessed for the first time, which helps to better assess the results obtained from the combination of numerical simulations and medical images. A comparison of 3D and 1D CFD simulations for coronary blood flow based purely on FFR is presented. Several computational settings are compared to invasive measurements with results comparable to the state of the art. / A doença coronáriana é uma das principais causas de morte em todo o mundo. Embora vários fatores de risco sejam bem conhecidos; muitas lesões não podem ser explicadas apenas por esses fatores. A hipótese das artérias desenvolverem lesões devido à sua morfologia, conhecida como fatores de risco geométricos e/ou devido a forças hemodinâmicas, foi levantada há mais de trinta anos. Embora tenha sido encontrada uma conexão entre variáveis geométricas/hemodinâmicas e lesões, não existe um índice quantificável que ajude os médicos a prever os riscos reais. Mesmo quando uma lesão grave está presente, estudos recentes descobriram que alguns pacientes podem desenvolver circulação colateral para fornecer fluxo sanguíneo suficiente para o miocárdio, evitando assim a isquemia. Por sua vez, o padrão ouro para avaliar a funcionalidade de uma lesão é o exame médico invasivo chamado Reserva de Fluxo Fracionada (FFR por suas siglas em inglês). Além disso, esses estudos são caros, exigem profissionais altamente qualificados e envolvem riscos para o paciente durante a intervenção. Nesse contexto, os objetivos desta tese são (i) caracterizar completamente as artérias coronárias de uma perspectiva geométrica, buscar características geométricas hereditárias e correlações entre morfologia e doença; (ii) construir uma metodologia de modelagem para a estimativa do FFR, utilizando modelos da dinâmica dos fluidos computacional (CFD por suas siglas em inglês) construídos a partir de imagens médicas de artérias coronárias de pacientes específicos. Resultados para meta (i) incluem a caracterização geométrica de uma amostra de pacientes constituída por pares de irmãos. Vários estudos são realizados envolvendo índices padronizados e não tradicionais baseados na geometria, nos quais foram encontradas associações entre geometria e presença de lesão, bem como indicações de herdabilidade de geometria arterial entre irmãos. Em relação às simulações hemodinâmicas no contexto de FFR, isto é, meta (ii), é apresentada e testada uma nova técnica para definir condições de contorno específicas para cada paciente em modelos 3D; ainda, foi avaliado pela primeira vez o impacto da modalidade de imagem, em particular, tomografia computadorizada coronária (CCTA) e ultrassom intravascular (IVUS), sobre variáveis hemodinâmicas, o que ajuda a avaliar melhor os resultados obtidos pela combinação de simulações numéricas e imagens médicas. Também é apresentada uma comparação de simulações de CFD empregando modelos 3D e 1D do fluxo sanguíneo coronário focado puramente na estimação do FFR. Vários cenários são comparados com medidas invasivas com resultados similares aos encontrados no estado de arte da técnica.