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http://hdl.handle.net/1843/30068| Type: | Dissertação |
| Title: | Modelagem computacional de uma bioprótese de válvula cardíaca: análise dinâmica e fenômeno de flutter |
| Other Titles: | Computational modeling of a heart valve prosthesis: dynamic analysis and flutter phenomenon |
| Authors: | Gabriel Fontes Iásbeck |
| First Advisor: | Rudolf Huebner |
| First Referee: | Rudolf Huebner |
| Second Referee: | Helio de Assis Pegado |
| Third Referee: | Frederico de Castro Magalhães |
| Abstract: | Doenças cardiovasculares são as principais causas de morte, sendo responsáveis por mais de 17,6 milhões de casos no mundo. Dentre as principais doenças, destacam-se os problemas relacionados ao mal funcionamento de válvulas cardíacas como a estenose, onde ocorre uma redução da área de abertura da válvula em decorrência do enrijecimento do tecido. Uma solução eficaz para esta doença é a substituição de válvulas defeituosas por próteses de válvulas cardíacas. Os dois tipos de próteses mais utilizados são as próteses mecânicas e biológicas. As válvulas mecânicas oferecem boa durabilidade, entre 20-30 anos, mas são formadoras de trombo forçando o paciente a administrar ante coagulantes ao longo de toda sua vida. As válvulas biológicas possuem excelente aceitação pelo corpo, porém, tem sua durabilidade reduzida por efeitos como calcificação do tecido e fadiga operando entre 10-15 anos. Um fenômeno que ocorre em próteses biológicas e que é considerado mais destrutivo que qualquer outro mecanismo é o flutter. Embora conhecido e muito mencionado em trabalhos científicos, poucos foram os que se preocuparam em quantificar e avaliar a influência de variáveis neste fenômeno, e, dentre os que se aprofundaram, nenhum utilizou de modelagem computacional. O objetivo deste trabalho é modelar computacionalmente uma bioprótese de válvula cardíaca, com foco no cálculo da área máxima de abertura e no fenômeno de flutter. Foi realizado inicialmente uma análise transiente de um ciclo cardíaco com condições de contorno fisiológicas e o resultado validado qualitativamente com experimentos da literatura. Depois, foi testada a eficácia de análises quase estáticas com diferentes tipos de elementos no cálculo da área máxima de abertura. Por fim, foi testado a influência do enrijecimento do tecido da válvula cardíaca na dinâmica e no fenômeno de flutter. Os resultados mostraram que a análise transiente foi capaz de representar o problema físico através da validação qualitativa experimental. Quanto as análises quase estáticas, as que utilizaram elementos triangulares de 1ª e 2ª ordem, quadrilaterais de 1ª ordem e tetraédricos de 2ª ordem foram eficazes no cálculo da área máxima de abertura tendo tido uma variação máxima de 8,2%, entretanto, a modelagem que utilizou de elementos tetraédricos de 1ª ordem obteve resultados completamente não físicos, sendo seu uso extremamente desaconselhável em problemas desta natureza. Quanto a análise do enrijecimento do tecido verificou-se que o aumento do módulo de elasticidade reduziu os deslocamentos e a área máxima de abertura da válvula tendo a maior variação alcançado 6,3%. Não houve alteração no tempo de abertura da válvula. No estudo do fenômeno de flutter, três faixas de frequências estiveram presentes em todos os casos. O módulo de elasticidade influenciou em quais destas faixas predominaram a resposta e suas respectivas amplitudes. A metodologia desenvolvida neste trabalho fornece ferramentas para uma análise rápida e eficaz do fenômeno de flutter e da dinâmica de válvulas cardíacas. |
| Abstract: | Cardiovascular diseases are the leading causes of death, accounting for more than 17.6 million cases worldwide. Among the main diseases, it can be highlighted the problems related to malfunctioning of heart valves such as stenosis, where there is a reduction of the opening area of the valve due to the stiffening of the tissue. An effective solution to this disease is the replacement of the valve for a prosthesis. The two most common types of prostheses are the mechanical and biological. Mechanical valves provide good durability, between 20-30 years, but are thrombus-forming forcing the patient to take anti coagulants throughout their entire life. Biological valves have excellent organism acceptance; however, their durability is reduced by effects such as tissue calcification and fatigue which cause them to operate between 10-15 years. A phenomenon that occurs in biological prostheses and is considered more destructive than any other mechanism is flutter. Although known and widely mentioned in scientific studies, few were concerned with quantifying and evaluating the influence of variables in this phenomenon. Among those who did, none of them have used computational modeling techniques. The objective of this work is to computationally model a bioprosthetic heart valve, focusing on the calculation of the maximum opening area and the flutter phenomenon. A transient analysis of a cardiac cycle with physiological boundary conditions was performed initially and the results were qualitatively validated with experiments from the literature. Then the effectiveness of quasi-static analyzes with different types of elements was tested in the calculation of the maximum opening area. Finally, the influence of the stiffness of the valve tissue on the dynamics and flutter phenomenon was tested. The results showed that the transient analysis was able to represent the physical problem through experimental validation. As for the quasi-static analyzes, those using first and second order triangular, 1st order quadrilateral and 2nd order tetrahedral elements were effective in calculating the maximum opening area and had a maximum variation of 8.2%, however, the model that used first order tetrahedral elements obtained completely non-physical results, which make their use extremely inappropriate in problems of this nature. Regarding tissue stiffness analysis, it was observed that the increase in modulus of elasticity reduced the displacements and the maximum opening area of the valve, with the greatest variation reaching 6.3%. There was no change in valve opening time. In the study of the flutter phenomenon, three frequency bands were present in all cases. The modulus of elasticity had influence in which of these bands dominated the response and in their displacement amplitude. The methodology developed in this work provides tools for a quick and effective analysis of the flutter phenomenon and the dynamics of heart valves. |
| Subject: | Engenharia mecânica Bioengenharia Método dos elementos finitos Prótese Estenose da válvula aórtica |
| language: | por |
| metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| metadata.dc.publisher.department: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA |
| metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/30068 |
| Issue Date: | 2-Aug-2019 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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