Avaliação numérica do efeito da variação de vazão na hemodinâmica em cateter venoso central para a hemodiálise
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Carlos Barreira Martinez
Thabata Coaglio Lucas
Thabata Coaglio Lucas
Resumo
A principal causa de não funcionalidade dos cateteres venosos centrais para a
hemodiálise está associada à formação de trombos. Esta, por sua vez, depende de
fatores físicos do campo de escoamento, tal como turbulência, recirculação e
estagnação. Modelos numéricos, baseados na mecânica dos fluidos computacional,
abrem uma nova perspectiva para a avaliação de fatores hemodinâmicos que levam
à formação e progressão de trombos. Porém, a dificuldade de validação destes
modelos, bem como as simplificações e fontes de incerteza intrínsecas a modelagem
numérica, restringem o seu uso, abrangência e confiabilidade. Diante do presente
contexto, este estudo propõe o desenvolvimento e a validação de um modelo
numérico destinado à avaliação do ambiente hemodinâmico no acesso venoso central
para a hemodiálise. Diferentes modelos de turbulência, assim como diferentes valores
de vazão de diálise nos cateteres foram analisados e discutidos. As simulações
numéricas foram realizadas em regime transiente, considerando as condições
fisiológicas do fluxo pulsátil nas veias centrais. O domínio geométrico das simulações
foi desenvolvido a partir de imagens de tomografia computadorizada de um paciente
específico. Foi proposta uma metodologia para a validação do modelo numérico
baseada no desenvolvimento de um protocolo experimental, in vitro, para a medição
de perda de carga em uma bancada de testes representativa do acesso venoso
central. O corpo de prova utilizado na bancada de testes foi fabricado por meio da
técnica de silicone casting e impressão 3D, de modo a garantir a representatividade
geométrica, complacência e acesso ótico do modelo. Os valores de perda de carga
obtidos com os experimentos e com as simulações apresentaram diferença máxima
de 13%, tornando possível a validação do modelo numérico. A partir do modelo
numérico validado, foi possível avaliar diferentes modelos de turbulência, assim como
diferentes valores de vazão de diálise (200, 250, 300, 350 e 400 mL/min) comumente
utilizados nos cateteres venosos centrais. As vazões de 250, 300 e 350 mL/min
resultaram em maior tempo de exposição e maior presença de recirculação no campo
de escoamento. Foi constatado que, no geral, as tensões de cisalhamento e
intensidade de turbulência aumentam de maneira quadrática com o aumento das
vazões de diálise no cateter. Entretanto, a sua variação é percentualmente menos
significativa do que a variação dos tempos máximos de exposição ao longo das linhas
de corrente do escoamento, o que sugere que a presença de recirculação e o aumento
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do tempo de exposição das partículas sanguíneas sejam fatores significativos para a
formação de trombos na região. Quanto aos modelos de turbulência avaliados, os
modelos híbridos (k-ω SST e k-ω SST de Transição) resultaram na mesma
distribuição geral da tensão de cisalhamento e intensidades de turbulência próximo
aos orifícios laterais do cateter, porém o modelo de transição resultou na
caracterização de valores mais elevados destas grandezas, provavelmente devido a
sua maior capacidade de prever a transição para a turbulência e à sua maior robustez.
Abstract
The main limitation of central venous catheters for hemodialysis is associated with the
thrombus formation. Thrombus formation, in turn, depends on physical factors of the
flow field, such as turbulence, recirculation and stagnation. Numerical models, based
on the computational fluid mechanics, open a new perspective for the evaluation of
hemodynamic factors that lead to the thrombus formation and progression. However,
the difficulty of validating these models, as well as the simplifications and sources of
uncertainty intrinsic to numerical modeling, restrict their use, scope and reliability.
Given the present context, this study proposes the development and validation of a
numerical model for the assessment of the hemodynamic environment in central
venous access for hemodialysis. Different turbulence models, as well as different
dialysis flow rate values in the catheters, were analyzed and discussed. The numerical
simulations were performed in transient regime, considering the physiological
conditions of the pulsatile flow in the central veins. The geometric domain of the
simulations was based on computed tomography images of a specific patient. A
methodology for the validation of the numerical model was proposed based on the
development of an experimental protocol, in vitro, for the measurement of pressure
drop in a test bench representative of the central venous access for hemodialysis. The
specimen used in the test bench was manufactured using the silicone casting
technique and 3D printing, which resulted in a body representative of the geometry of
the central veins, compliant and with optical access. The pressure loss values obtained
with the experiments and with the simulations showed a maximum difference of 13%,
making possible to validate the numerical model. From the validated numerical model,
it was possible to evaluate different turbulence models, as well as different dialysis flow
values commonly used in central venous access for hemodialysis. The flow rates of
250, 300 and 350 mL / min resulted in a longer exposure time and greater presence of
recirculation in the flow field than the other evaluated flows (200 and 400 mL / min). In
general, shear stresses increase in a quadratic manner with the increase in dialysis
flow rates in the catheter. However, its variation is percentile less significant than the
variation of maximum exposure times along the flow current lines, which suggests that
the presence of recirculation and the increase in the exposure time of blood particles
are more significant factors for the formation of thrombi in the region. As for the
turbulence models evaluated, the hybrid models (k-ω SST and k-ω SST of Transition)
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presented results consistent with studies involving the histological analysis of
thrombotic tissue in the region close to the venous orifices of the CVC. These last two
models resulted in the same general shear stress distribution and turbulence
intensities, however, the transition model resulted in the characterization of higher
values of these quantities, probably due to its greater capacity to characterize the
transition to turbulence.
Assunto
Engenharia mecânica, Bioengenharia, Cateteres, Diálise, Dinâmica dos fluidos computacional
Palavras-chave
Acesso venoso central para a hemodiálise, Cateter venoso central, Trombos, Escoamento sanguíneo, Dinâmica dos fluidos computacional, Vazão de diálise