流量を高めるために直径を拡大する導管設計

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10201 (2023) この記事を引用

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導管は、動脈および静脈の病変を治療するために一般的に使用されます。 従来のステントは円筒形であるため、長さが増すにつれて流動抵抗が増加します。 この研究は、流れの分離を回避しながら抵抗を減らすために導管の口径が徐々に拡張するステントと導管の設計を示しています。 流入は、ヘッダータンクから２つの異なる圧力（すなわち、１０および２５ｍｍＨｇ圧力）で円筒状または拡張導管内に提供された。 初期の導管の口径は、それぞれ 2、3、4、および 5 mm、長さは 160、310、および 620 mm でした。 拡張口径導管の流量 (r4 ～ 6/cm の速度、r は導管の初期半径) を、半径が一定の従来の円筒形導管と比較しました。 拡張された口径により、R4/L 拡張の場合は 16 ～ 55%、R5/L 拡張の場合は 9 ～ 44%、R6/L 拡張の場合は 1 ～ 28% という大幅な流量増加が得られます。 数値流体力学 (CFD) を使用してシミュレートされた流れモデルを使用して、実験結果を検証し、拡張しました。 流れの剥離は、流路線と壁せん断応力 (WSS) の計算によって特定のシミュレーションで検出されました。 結果は、r6/cm の口径拡張率が、流れの剥離を最小限に抑え、抵抗を低くし、流量を増加させる、ほとんどの潜在的な用途にとって最適な拡張率であることを示しました。

直径が拡大する導管はディフューザーと呼ばれ、ディフューザーの長さに沿って圧縮性流体 (つまり、ガス) の圧力を高める働きをします。 ディフューザーは、ジェット エンジン、ターボ エンジン、およびジェット エンジンのノズルなどの乱流を伴うエア ポンプでガスを凝縮するために使用されます1。 人体の静脈は、別の機能、つまり流れに対する抵抗を最小限に抑えるために血液 (非圧縮性流体) を導くディフューザーと同様の拡張口径を持っています。 静脈は心臓によって生成される動力エネルギーのほとんどが消費される循環の最後尾に相当するため、これは非常に重要です。 心臓に戻る血流回路を完成させるために、残りの残留エネルギー (< 5%) を保存する必要があります 2,3。 ディフューザータイプの拡張導管設計は、機能的には従来の円筒形設計よりも優れており、流れが良くなり、ポアズイユ流でのエネルギー消費が少なくなる可能性があります。

伝統的な円筒形の設計が数千年にわたって使用されてきたことを考えると、流れを増大させるために基本的な導管設計を改善する試みは驚くほど少ない。 現在、流れを増強するために利用可能な方法には、ブースターポンプ、貯蔵タンク（追加エネルギー）、および流れを最適化し過渡現象を抑制するためのバルブやサージタンクなどの装置が含まれます。 サイフォンやバイパスなどの戦略も、流れの変換 (圧力水頭から速度へ、またはその逆) によるエネルギーの無駄を最小限に抑えるために使用されています。 研磨された表面を備えた導管は摩擦損失を最小限に抑えます。 曲がり、局所的な拡張、狭窄のない滑らかなプロファイルにより、軽度の損失が軽減される可能性があります4,5。

ここでは、徐々に拡張する口径を備えた新しい設計が提案されており、円筒形の設計に比べて流れ抵抗が大幅に減少していることがわかります。 流れの改善は、全体の流れ抵抗が低減されるように口径を長さで調節することによって可能になります。 課題は、口径を拡大すると流れの分離が発生する可能性があることです。 流れの分離はさまざまな流体システムで発生し、流れを妨げ、デバイスの性能を低下させます。

実験的流体力学および数値流体力学の最近の進歩により、血管の内壁 (すなわち、内皮) における病理学的現象の解明が進んでいます。 その核心となるのは、主に流れの剥離によって引き起こされる低い WSS が共通の分母です6。 これらの研究は、動脈セグメントの 3 次元再構成とその後の数値的な流れシミュレーション研究によって実行されました。 数値流体力学 (CFD) 手法と医療画像に基づく 3 次元血管再構成を組み合わせると、現実的な境界条件下で高解像度で目的の血行力学的パラメータを計算できます6、7、8、9、10。 動脈内の速度プロファイルの正確な生体内測定は実現不可能であるため、数値流れシミュレーションが使用されました。