Conception de conduit avec diamètre expansible pour un débit amélioré

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10201 (2023) Citer cet article

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Les conduits sont couramment utilisés pour traiter les lésions des artères et des veines. Les stents conventionnels sont de forme cylindrique, ce qui augmente la résistance à l'écoulement avec la longueur. Cette étude présente une conception de stents et de conduits dans laquelle le calibre du conduit se dilate progressivement pour réduire la résistance tout en évitant la séparation des flux. L'entrée était assurée à partir d'un réservoir collecteur à deux pressions différentes (c'est-à-dire une pression de 10 et 25 mm Hg) dans un conduit cylindrique ou expansible. Les calibres initiaux des conduits étaient de 2, 3, 4 et 5 mm et de 160, 310 et 620 mm de longueur dans chaque cas. Les débits des conduits de calibre expansible (à un taux de r4–6/cm où r est le rayon initial du conduit) ont été comparés à ceux des conduits cylindriques traditionnels de rayon constant. Le calibre étendu donne un débit considérablement accru de 16 à 55 % pour l’expansion R4/L, de 9 à 44 % pour l’expansion R5/L et de 1 à 28 % pour l’expansion R6/L. Des modèles d'écoulement simulés utilisant la dynamique des fluides computationnelle (CFD) ont été utilisés pour valider et élargir les résultats expérimentaux. La séparation des écoulements a été détectée pour certaines simulations par les calculs de lignes d'écoulement et de contraintes de cisaillement des parois (WSS). Les résultats ont montré qu'un taux d'expansion de calibre r6/cm est le taux d'expansion optimal pour la plupart des applications potentielles avec une séparation de flux minimale, une résistance plus faible et un débit accru.

Un conduit dont le diamètre augmente est appelé diffuseur, et sert à augmenter la pression d'un fluide compressible (c'est-à-dire un gaz) sur toute la longueur du diffuseur. Un diffuseur est utilisé pour condenser le gaz dans les moteurs à réaction, les turbomoteurs et les pompes à air à écoulement turbulent dans des applications telles que les tuyères des moteurs à réaction1. Dans le corps humain, les veines ont un calibre en expansion semblable à celui d'un diffuseur qui conduit le sang (fluide incompressible) pour une fonction différente, c'est-à-dire minimiser la résistance à l'écoulement. Ceci est essentiel car les veines représentent la fin de la circulation, là où la majeure partie de l’énergie motrice générée par le cœur a été dépensée. L'énergie résiduelle restante (< 5 %) doit être préservée pour compléter le circuit de retour vers le cœur2,3. Une conception de conduit expansible de type diffuseur peut être supérieure à la conception cylindrique traditionnelle en termes de fonctionnalité avec un meilleur débit et une moindre dépense d'énergie dans les flux de Poiseuille.

Les tentatives visant à améliorer la conception de base des conduits pour augmenter le débit ont été étonnamment rares, si l'on considère que la conception cylindrique traditionnelle a été utilisée pendant plusieurs millénaires. Actuellement, les méthodes disponibles pour augmenter le débit comprennent des pompes de surpression, des réservoirs de stockage (énergie supplémentaire) et des dispositifs tels que des vannes et des réservoirs tampons pour optimiser le débit et supprimer les transitoires. Des stratégies telles que les siphons et les dérivations ont également été utilisées pour minimiser le gaspillage d'énergie dû à la transformation du flux (hauteur de pression en vitesse et vice versa). Les conduits aux surfaces polies minimisent les pertes par frottement ; un profil lisse sans courbures, expansions locales et constrictions peut réduire les pertes mineures4,5.

Ici, une nouvelle conception avec un calibre à expansion progressive est proposée, montrant une réduction substantielle de la résistance à l'écoulement par rapport à la conception cylindrique. L'amélioration de l'écoulement est rendue possible par la modulation du calibre avec une longueur telle que la résistance globale à l'écoulement est réduite. Le défi est que l’expansion du calibre peut créer une séparation des flux. La séparation des flux se produit dans différents systèmes fluidiques, ce qui entrave le flux et dégrade les performances de l'appareil.

Les progrès récents en mécanique des fluides expérimentale et numérique ont conduit à une meilleure élucidation des événements pathologiques au niveau de la paroi interne du vaisseau (c'est-à-dire l'endothélium). Au cœur de tout cela, un faible WSS, causé principalement par la séparation des flux, est un dénominateur commun6. Ces études ont été réalisées par reconstruction tridimensionnelle de segments d'artères suivies d'études de simulation numérique de flux. Les méthodes informatiques de dynamique des fluides (CFD) combinées à des reconstructions de vaisseaux tridimensionnelles basées sur l'imagerie médicale permettent le calcul des paramètres hémodynamiques souhaités dans des conditions limites réalistes avec une haute résolution6,7,8,9,10. Des simulations numériques de flux ont été utilisées car des mesures in vivo précises des profils de vitesse dans les artères ne sont pas réalisables.