Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)


Для цитирования:

Майсков Д. И., Сагайдачный А. А., Матасов М. Д., Фомин А. В., Скрипаль А. В. Влияние модуляции скорости кровотока в периферических сосудах на температуру наружной стенки сосуда: конечно-элементное моделирование связанной задачи // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Математика. Механика. Информатика. 2022. Т. 22, вып. 3. С. 332-345. DOI: 10.18500/1816-9791-2022-22-3-332-345

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
31.08.2022
Полный текст:
(downloads: 83)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
536.24
EDN: 
YEFZXJ

Влияние модуляции скорости кровотока в периферических сосудах на температуру наружной стенки сосуда: конечно-элементное моделирование связанной задачи

Авторы: 
Майсков Дмитрий Игоревич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Сагайдачный Андрей Александрович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Матасов Максим Дмитриевич, Государственный научный центр Российской Федерации «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша
Фомин Андрей Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Скрипаль Анатолий Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 
Проведено конечно-элементное моделирование процесса передачи тепла от крови к стенке артериального сосуда с целью решения более общей задачи определения взаимосвязи амплитудно-частотных характеристик колебаний объемной скорости кровотока в периферических сосудах с колебаниями температуры на поверхности кожи. Для этого построена модель в пакете ANSYS с подключенным модулем Fluid Flow CFX, включающая домены, относящиеся к крови, стенке цилиндрического сосуда и коже (биоткани). Модель учитывает конвективную теплоотдачу от крови к стенке сосуда и теплопроводность в коже. Поставлена соответствующая краевая задача, включающая уравнения Навье – Стокса и уравнение теплопроводности Фурье. Получены зависимости колебаний температуры стенки сосуда от амплитуды колебаний объемной скорости кровотока в широком частотном диапазоне 0.01–1 Гц. Выбранный частотный диапазон охватывает все известные на сегодняшний день ритмы колебаний гемодинамики: эндотелиальный, нейрогенный, миогенный, дыхательный и кардиальный. Предложена функция, аппроксимирующая зависимость амплитуды колебаний температуры стенки сосуда от амплитуды колебаний объемной скорости кровотока при различных значениях частоты модуляции скорости кровотока. Использование введенной аппроксимирующей функции совместно с решением уравнения теплопроводности для тепловой волны открывает возможность решения обратной задачи определения динамики объемной скорости кровотока в артериальном сосуде на основе данных о динамике температуры на поверхности кожи.
Благодарности: 
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 21-75-00035).
Список источников: 
  1. Stefanovska A. Physics of the human cardiovascular system // Contemporary Physics. 1999. Vol. 40, iss 1. P. 31–55. https://doi.org/10.1080/001075199181693
  2. Сагайдачный А. А., Волков И. Ю., Фомин А. В., Скрипаль А. В. Закономерности распространения тепловой волны в модели биологической ткани и возможность термовизуализации вазомоторной активности периферических сосудов // Российский журнал биомеханики. 2019. Т. 23, № 2. С. 251–260. https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2019.2.07, EDN: XTKRTK
  3. Liu J., Xu L. X. Estimation of blood perfusion using phase shift in temperature response to sinusoidal heating at the skin surface // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 1999. Vol. 46, iss 9. P. 1037–1043. https://doi.org/10.1109/10.784134
  4. Zhang X., Zheng L., Liu L., Zhang X. Modeling and simulation on heat transfer in blood vessels subject to a transient laser irradiation // Journal of Heat Transfer. 2020. Vol. 142, iss 3. Art. 031201. https://doi.org/10.1115/1.4045669
  5. Deng Z. S., Liu J. Blood perfusion-based model for characterizing the temperature fluctuation in living tissues // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2001. Vol. 300, iss 3–4. P. 521–530. https://doi.org/10.1016/S0378-4371(01)00373-9
  6. Tang Y., Mizeva I., He Y. A modeling study on the influence of blood flow regulation on skin temperature pulsations // Saratov Fall Meeting 2016: Laser Physics and Photonics XVII; and Computational Biophysics and Analysis of Biomedical Data III. Saratov, 2017. Vol. 1033716 (14 April 2017). https://doi.org/10.1117/12.2267952
  7. Luchakov Y. I., Nozdrachev A. D. Mechanism of heat transfer in different regions of human body // Biology Bulletin. 2009. Vol. 36, iss 1. P. 53–57. https://doi.org/10.1134/S1062359009010087
  8. Ivanov D., Dol A., Polienko A. Patient-specific hemodynamics and stress-strain state of cerebral aneurysms // Acta of Bioengineering and Biomechanics. 2016. Vol. 18, iss 2. P. 9–17. https://doi.org/10.5277/ABB-00373-2015-03
  9. Иванов Д. В., Доль А. В., Кузык Ю. И. Биомеханические основы прогнозирования протекания каротидного атеросклероза // Российский журнал биомеханики. 2017. Т. 21, № 1. С. 29–40. https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2017.1.03, EDN: YMFRLF
  10. Hristov J. Bio-heat models revisited: Concepts, derivations, nondimensalization and fractionalization approaches // Frontiers in Physics. 2019. Vol. 9. Art. 189. https://doi.org/10.3389/fphy.2019.00189
  11. Porret C. A., Stergiopulos N., Hayoz D., Brunner H. R., Meister J. J. Simultaneous ipsilateral and contralateral measurements of vasomotion in conduit arteries of human upper limbs // American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 1995. Vol. 269, iss. 6. P. H1852–H1858. https://doi.org/10.1152/ajpheart.1995.269.6.H1852
  12. Сагайдачный А. А., Фомин А. В., Волков И. Ю. Предельные возможности современных тепловизоров как инструмента для исследования колебаний периферического кровотока человека в различных диапазонах частот // Медицинская физика. 2016. № 4 (72). С. 84–93. EDN: XCFWYD
Поступила в редакцию: 
01.03.2022
Принята к публикации: 
15.04.2022
Опубликована: 
31.08.2022