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1 Applications of CFD in Mechanobiology and Medical Engineering QIN Kairong( ) 1,2,3 1 Department of Mechanics & Engineering Science, 2 Institute of Biomechanics, Fudan University, Shanghai , China 3 Department of Biomedical Engineering, Graduate Sch. of Med., Univ. of Tokyo, , Japan 1

2 CFD -- The Third Method of Science (Kelly, 1998) Logic Experimentation Computer Simulation 2

3 Background Outline Biomechanics vs Mechanobiology CFD in diagnosis and therapy of vascular diseases CFD in vascular tissue engineering CFD in cell mechanics CFD in TCM (Traditional Chinese Medicine) 3

4 Fluid Mechanics vs Life Water Embryo (2 Months) 95% Baby 80% Adult 65% 4

5 5

6 Atherosclerosis (AS ) 6

7 (AS) AS) response-to-injury hypothesis (Ross, 1973): 7

8 AS vs Hemodynamics Fry (1968): High Shear Stress Hypothesis Caro (1969): Low Shear Stress Hypothesis Ku (1985): Low Oscillatory Shear Stress Hypothesis Circumferential stress, flow separation, secondary flow, turbulent flow(?), mass transfer Medline > 40,000 Papers Related to Atherosclerosis 8

9 Aneurysm( vs Hemodynamics 9

10 AS AS --> VE, VC AS: --> (angioplasty) (stenting) (grafting) 10

11 (angioplasty) 11

12 (stent/drug-coated stent) 12

13 (Vein Grafting) 13

14 (Vascular Grafts) ( 1M 1Y 3Y 10Y 10.9% 18.9% 36.8% 49.9% 20 14

15 Restenosis ( ) v.s. Hemodynamics Shear stress (steady / pulsatile / turbulent) Shear stress gradient (flow separation / secondary flow) Circumferential stress Mass transfer (steady / pulsatile / turbulent) 15

16 Vascular Biomechanics 16

17 2 / 1 r o r r i r o r r i R o R R i (a) Loaded State (b) Unloaded State (c) Zero-stress Sate 17

18 Fung YC 18

19 19 Z z R r R r E E E b E E b E E b E b E b b E c W z r i q E W dt r d r r z r i i r r z z r z i i i i r r = = = = = = + = = + λ α π π λ λ λ θ λ σ ρ σ σ σ θ θ θ θ θ,, 1) ( 2 1 ) exp( 0.5 ),, (

20 p V V Relationship of the Rat s s Carotid Artery ) 2 V(cm p(kpa) 20

21 21

22 (Fluid Shear Stress) Hagen-Poiseuille 1 2 dp u = ( R r 2 )( ) 4 η dx du τ =η dr Pulsatile Flow (Womersley,1957)

23 ? Fluid-Solid Coupling Problem FEM + CFD 23

24 Vascular Mechanobiology 24

25 ( / 25

26 ( Kamiya ( ) τ 4ηQ = πr = 3 const Q r 26

27 27

28 (Cell Proliferation) (Cell Death) (necrosis) vs (apoptotic) (Cell-to-Cell Interaction) (Production of Extracellular Matrix) 28

29 Tensile Stress and ECs 29

30 / DNA angiotensin II 30

31 Fluid Shear Stress and ECs 31

32 Morphological response of ECs to Laminar Shear Stress 32

33 Morphological response of ECs to Turbulent Shear Stress 33

34 Endothelial Responses to Shear Stress Cell-shape modifications Cell-orientation modifications Cytoskeletal organization Mechanical stiffness modifications Cell proliferation Secretion of vasoactive substances Transendothelial transport Intracellular signaling 34

35 35

36 Signal Transduction Cascade 36

37 Decentralization Model of Mechanotransduction (Davies PF.,1995) 37

38 Tensegrity Model of Mechanotransduction (Ingber DE. J. Cell Sci. 116, , 2003) 38

39 Brief Summary Background Biomechanics vs Mechanobiology 39

40 Applications of CFD in the Diagnosis and Therapy of Cardiovascular Diseases 40

41 Diagnosis of Cerebral Vascular Diseases 脑 积 500 遗 轻 瘫 语 遗 41

42 Cerebral Vascular Hemodynamics (CT/MRI) CT/MRI) 42

43 Inverse Problem 43

44 Cerebral Vascular Hemodynamics Analyzer 44

45 ViVa: : The Virtual Vascular Project Initial Applications: Clinical research and training Later Stage: Surgical planning 45

46 ViVa Data Acquisition Image Processing and Segmentation Real-time 3-D Volume Visualization 3-D Geometry Reconstruction 3-D Mesh Generation Blood Flow Simulation and Visualization 46

47 ViVa: : Overview 47

48 ViVa: : User interface of the image processing and segmentation subsystem 48

49 ViVa: : Real-time 3-D 3 D Volume Visualization 49

50 ViVa: : 3-D 3 D Geometry Reconstruction 50

51 ViVa: : 3-D 3 D Mesh Generation 51

52 ViVa: : Blood Flow Simulation and Visualization 52

53 ViVa in Japan ( ( 53

54 Multiscale Approach 54

55 Coupling of 1D and 3D N-S N S Equation 55

56 Applications of CFD in Vascular Tissue Engineering 56

57 Vascular Tissue Engineering (gene therapy) (stenting) (angioplasty) (grafting) 57

58 Stenting 58

59 Bypass grafting (side-to to-side) 59

60 Grafting (end-to to-side) 60

61 eddy/votex low oscillatory shear stress circumferential stress 61

62 Applications of CFD in Cell Mechanics 62

63 Design and Construction of Parallel-plate Flow Chambers with Shear Stress Gradients 63

64 Rectangular Parallel-plate Flow Chamber 64

65 Rectangular Parallel-plate Flow Chamber Advantage Uniform Flow Field Single shear stress τ = 6µQ bh Disadvantage 2 Time Consuming 65

66 Flow Chamber with Shear Stress Gradients Advantage Eddy Flow Shear Gradient Disadvantage Complicated 66

67 Objectives Design and construct new type flow chambers with shear stress gradients Convenient and Time saving 67

68 Planforms of the parallel-plate plate flow chambers with shear stress gradients 2 n=1.5 2 n=2 width(cm) (r 0,θ 0) (r 0,θ ) 0 width(cm) 0-1 Q length(cm) 2 n= length(cm) 2 n=3 width(cm) width(cm) 1 (r 0,θ 0 ) (r 0,θ 0 ) Q 0-1 胶 length(cm) length(cm) 68

69 Formulas Shear Stress τ = 6µQ bh 2 r L n 1 Shear Stress Gradient d τ 6µ Q dr bh ( n 1) r L = 2 n 1 n 2 69

70 Distribution of shear stresses and shear stress gradients on the bottom of the flow chamber 70

71 Variation of shear stresses and shear stress gradients along the axis of the flow chamber 胶 Shear Stress(0.1Pa) n=1.5 n=2 n=2.5 n= length(cm) Shear Gradient(0.1Pa/cm) n=3 n=2.5 n=2 n= length(cm) 71

72 Pulsatile Flow (Theoretical Results) 72

73 Measurement System of Flow Fields 胶 73

74 Theoretical and Experimental Velocities 74

75 Cone-plate Flow Chamber 75

76 Responses of ECs Simultaneously Exposed to Wall Shear Stress and Circumferential Stress 76

77 Wall Shear Stress (WSS) & Circumferential Stress (CS) (WSS) σ θ R u σ θ (CS) p σ θ (CS) p 77

78 Synergy of CS & WSS in Vivo τ dyne/cm s t(s) x10 5 dyne/cm 2 9 WSS CS & WSS in the Normal Human Common Carotid Artery versus Time + n = + σ θ ( t ) = σ e n CS j ( nω t + ϕ σ n ( t τ n τ ) = τ Zs SPA ( ω n ) ( ω n = n = ) σ τ n e j ( n ω t + ϕ n n = ϕ σ ϕ τ n n ) ) σ θ SPA( o ) Zs f(hz) Zs and SPA versus Frequency (n=6) 78

79 In Vitro Apparatus 79

80 Objectives To establish a silicone tube flow system that can mimic in vivo hemodynamic conditions in blood vessels To examine Ca 2+ responses of ECs simultaneously exposed to CS and WSS 80

81 Numerical Device: Multi-scale Model for a Silicone Tube Flow System Resistance Rc 2d Cell attached silicone tube 1d Connection tube Pump Depulsator Cd Rc Resistance Compliance Cp Rp Valve 2D: PDE (N-S Eq.) 1D: PDE 0D: ODE 81

82 Numerical Device: Effects of Pump Output (Preload) CS(1e6dyne/cm^2) Zs Yellow: Strong Red: Moderate Blue: Weak t(s) f(hz) WSS(dyne/cm^2) SPA(degree) t(s) f(hz) 82

83 CS(1e6dyne/cm^2) Numerical Device: Effects of the Cp (After-load load) t(s) Zs f(hz) Blue: Larger Cp Red: Smaller Cp WSS(dyne/cm^2) SPA(degree) t(s) f(hz) 83

84 Actual Device 84

85 Actual Device: Effects of the Pump Output (Preload) Blue: Weaker 3 Red: Stronger CS(1e6dyne/cm^2) Zs t(s) f(hz) WSS(dyne/cm^2) SPA(degree) t(s) f(hz) 85

86 Actual Device: Effects of the Cp & Rp (After-loads) CS(1e6dyne/cm^2) t(s) Zs f(hz) Red: Large Cp & Small Rp Blue: Moderate Cp & Moderate Rp Yellow: Small Cp & Large Rp WSS(dyne/cm^2) SPA(degree) t(s) -120 f(hz) 86

87 Synergistic Effects of CS & WSS on ECs Morphological responses Static CS alone WSS alone CS + WSS Biochemical responses (PGI 2, ET-1) are dependent on Stress Phase Angle (SPA) 87

88 Calcium Signaling 88

89 Ca 2+ Responses to WSS Alone Glass Tube Ca 2+ + HBSS + 500nM ATP dyne/cm 2 5dyne/cm 2 9dyne/cm 2 Ca 2+ free HBSS + 2mM EGTA+ 500nM ATP dyne/cm 2 5dyne/cm 2 9dyne/cm 2 89

90 Silicone Tube Ca 2+ Responses to CS & WSS 90

91 Conclusion The silicone tube flow system can mimic in vivo hemodynamic conditions in blood vessels Ca 2+ responses of ECs are dependent on WSS rather than CS under physiological conditions 91

92 Ca 2++ Oscillation 92

93 Ca 2++ Wave 93

94 CFD in Calcium Signaling (?) 94

95 Virtual Cell (or E-Cell) E 95

96 Applications of CFD in Traditional Chinese Medicine 96

97 B.C.) 97

98 The Interstitial Fluid Flow in Connective Tissue : The Mechanism of Meridians in Traditional Chinese Ding Guanghong Medicine Department of Mechanics and Engineering Science Fudan University Shanghai, China Ghding@fudan.edu.cn

99 Background: Cells Environment Interstitial fluid is the surroundings that organism cells reside Mast Cells Interstitial Fluid Electronic Microscope image of connective tissue in human ligament

100 Background: Traditional Chinese Medicine (TCM) Meridians: TCM Theory 100

101 Background: Experiment Results Move velocity: 1-10cm/min. And 30cm/min in acupuncture statement Inject radioactive isotope elements at acupoints 101

102 Physical Base of Meridians Acupuncture 102

103 Physical Base of Meridians Acupuncture needle CT of human lower limb 103

104 Physical Base of Meridians Acupuncture needle interosseous membrane MRI of human lower limb 104

105 Physical Base of Meridians Blood vessel at the interosseous membrane microscope Electronics microscope acupoint Capillary vessel with parallel arrange in acupoints 105

106 Biomechanics model of Interstitial fluid flow with parallel capillary vessel z x Periodicity boundary condition x Up stream capillary vessel Calculation area z y y Periodicity boundary condition Out flow boundary Out flow boundary Down stream capillary vessel

107 Calculation Method The control equations in the porous medium are Brinkman Equations: µ p = µ u u u =0 k p Where is grads operator is Laplace operator, u is velocity, P is pressure, Kp is Darcy osmosis. 107

108 Boundary condition Capillary vessel wall Osmosis velocity y Out flow v x Periodicity boundary condition The flow velocity in the capillary vessel wall is: ν λ 1 R p α = ( ξ ) µ p c Where: α = p a p = p a p v λ 1 p * = µ c R k c 108

109 Physiological Parameters Parameters Physiological range Blood in capillary vessel Viscosity (cp) 2 Osmosis of capillary vessel wall Pressure Geometry parameters of capillary vessel Tissue interstitial Tissue Small artery Small venous Tissue osmosis k c p o ( mmhg) p a ( mmhg) p ( mmhg) v Π ( mmhg) o Plasma osmosis Π i ( mmhg) 28 Diameter D ( µ m ) 8.3± 3.6 Space between ( µ m ) 37.3± 27.4 Length L ( µ m ) Density of tissue fluid (kg/m 3 ) 1000 Viscosity of tissue fluid (cp) 3.5 Porous rate φ

110 Numerical Simulation Software calculating velocity field is FLUENT Software dispersing space grid is AMBIT Calculation method is DIFFERENCE 110

111 Numerical Simulation Result 3-D velocity field of the tissue interstitial fluid in the interosseous membrane 111

112 Results and Discussion The interstitial fluid flow in some tissue have a certain direction along the meridians 112

113 Results and Discussion flow velocity is influenced by the vessel and tissue pressure Increasing Vessel pressure cause fluid velocity up Increasing tissue pressure cause fluid velocity down insensitively The meridians can be blockaded by exterior pressure in clinical the value of maximum dimensionless velocity po (2D Calculation) pv (2D Calculation) pa (2D Calculation) po (3D Calculation) pv (3D Calculation) pa (3D Calculation) the value of p (mmhg) 113

114 Results and Discussion The negative tissue pressure will increase the interstitial fluid flow, this is the mechanism of cupping treatment in TCM clinical velocity/cm.min -1 Tissue pressure /mmhg 114

115 Results and Discussion In the tissue interstitial there are many cells such as mast cells The acupuncture cause mast cells degranulation Mast Cells A B 115

116 Results and Discussion The interstitial fluid flow will generate a wall shear stress in the surface of mast cells 15 the maximum shear stress on mass cell po pv pa z x z y the value of p (mmhg) 116

117 Results and Discussion Wall shear stress will cause mast cells degranulation 117

118 Possible Mechanism of acupuncture and meridians acupuncture Clinical phenomena and therapeutic effects Mast cells degranulation Active other mast cells Histamine release 118

119 Summary Background Biomechanics vs Mechanobiology CFD in diagnosis and therapy of vascular diseases CFD in vascular tissue engineering CFD in cell mechanics CFD in TCM 119

120 CFD + Web 120

121 Client-side Engineering Server-side Web CFD Bridge Web Client-side Bio-medicine 121

122 122

组织液流动三维渗流动力学模型分析-在线投稿.doc

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