بررسی عددی انتقال اکسیژن و جریان خون روی آرایه‌هایی از فیبرهای سه‌بعدی ریه‌ی مصنوعی

Abstract

برای بیماران مبتلا به بیماری‌های مزمن ریوی، ریه‌ی مصنوعی (که بطن راست قلب جریان خون را به سمت آن پمپاژ می‌کند)، به عنوان یک مرحله‌ی مقدماتی پیش از پیوند ریه به شمار می‌آید. عمل‌کرد این دستگاه با چندین معیار، از جمله کارآمدی دستگاه در تبادل گاز، عدم آسیب‌رسانی به سلول‌های خونی و امپدانس پایین در مقایسه با ریه‌ی طبیعی، سنجیده می‌شود. در این مطالعه، بررسی عددی جریان خون غیرنیوتنی حول آرایه‌هایی از فیبرهای توخالی، به عنوان مدلی از دسته‌فیبرهای موجود در ریه‌ی مصنوعی، به روش حجم-محدود صورت گرفت. دو نوع آرایش مربعی و قطری برای فیبرها در نظر گرفته شد تا اثر آرایش، اثر سرعت ورودی روی توزیع جریان، تنش برشی و غلظت اکسیژن تبادل‌شده بین سطح فیبرها و جریان خون، بررسی شود. مشاهده شد که سرعت جریان و تنش برشی در آرایش قطری به مراتب بیش‌تر از آرایش مربعی است، به طوری که برای بیشینه‌ی سرعت مورد بررسی (cm/s 87/10)، تنش برشی روی فیبرها در آرایش قطری حدود 5/3 برابر مقدار آن در آرایش مربعی است. هم‌چنین، بین نتایج این تحلیل با نتایج مطالعات دیگری که در آن‌ها از تبادل اکسیژن صرف نظر شده بود، اختلاف قابل توجهی دیده شد، که بیان‌گر اهمیت مدل‌سازی تبادل گاز می‌باشد. میزان دبی جرمی اکسیژن در خروجی دامنه‌ی حل، به عنوان ملاک کارآمدی دستگاه (از دید تبادل گاز) مورد بررسی قرار گرفت. بر این اساس، آرایش قطری در تبادل اکسیژن بسیار کارآمدتر است. اما برای آرایش قطری، افت فشار بیش‌تری در عبور از دسته‌فیبرها، نسبت به آرایش مربعی مشاهده شد. نتایج این شبیه‌سازی می‌تواند نقطه‌ی شروع مناسبی برای طراحی بهینه‌ی ریه‌ی مصنوعی باشد و در طراحی بهینه‌ی آزمایش‌های کلینیکی موثر واقع شود.