Statistical Characteristics of Flow Field through Open and Semi-Closed Bileaflet Mechanical Heart Valve

The formation of thrombi on the streamlined surface of the bileaflet mechanical heart valves is one of the main disadvantages of such valves. Thrombi block the valve leaflets and disrupt the cardiovascular system. Diagnosis of thrombosis of the bileaflet mechanical heart valves is relevant and requires the creation of effective diagnostic tools. Hydroacoustic registration of the heart noise is one of the methods for diagnosing the operation of a mechanical heart valve. The purpose of the research is to determine the statistical characteristics of the vortex and jet flow through the open and semi-closed bileaflet mechanical heart valve, to identify hydroacoustic differences and diagnostic signs to determine the operating conditions of the valve. Experimental studies were conducted in laboratory conditions on a model of the left atrium and left ventricle of the heart between which there was the bileaflet mechanical heart valve. Hydrodynamic noise was recorded by miniature pressure sensors, which were located downstream of the valve. The vortex and jet flow behind the prosthetic heart valve were non-linear, random processes and were analyzed using the methods of mathematical statistics and probability theory. The integral and spectral characteristics of the pressure field were obtained and the differences in the noise levels and their spectral components near the central and side jets for the open and semi-closed mitral valve were established. It was shown that hydroacoustic measurements could be an effective basis for developing diagnostic equipment for monitoring the bileaflet mechanical heart valve operation. Doi: 10.28991/SciMedJ-2020-0204-1 Full Text: PD

Effect of Fluid Viscosity on Noise of Bileaflet Prosthetic Heart Valve

n/

Hydrodynamic Noise of Pulsating Jets through Bileaflet Mechanical Mitral Valve

Experimental research results of hydrodynamic noise of pulsating flow through a bileaflet mechanical mitral valve are presented. The pulsating flow of pure water corresponds to the diastolic mode of the cardiac rhythm heart. The valve was located between the model of the left atrium and the model of the left ventricle of the heart. A coordinate device, on which a block of miniature sensors of absolute pressure and pressure fluctuations was installed, was located inside the model of the left ventricle. It is found that the hydrodynamic noise of the pulsating side jet of the semiclosed valve is higher than for the open valve. The pressure fluctuation levels gradually decrease with the removal from the mitral valve. It is established that at the second harmonic of the pulsating flow frequency, the spectral levels of the hydrodynamic noise of the semiclosed bileaflet mechanical mitral valve are almost 5 times higher than the open valve. With the removal from the mitral valve, spectral levels of hydrodynamic noise are decreased, especially strongly at the frequency of the pulsating water flow and its higher harmonics

Вплив в’язкості рідини на шум двопелюсткового штучного серцевого клапана

Background. Numerical simulation and experimental research have been used as powerful tools to understand and predict the behavior and mechanics of the operation of natural heart valves and their prostheses in natural and patho­logical conditions. Such studies help to evaluate the effectiveness of the valves, their design and the results of surgical procedures, to diagnose healthy and impaired function of the heart valves. There is an actual problem in creating more reliable methods and tools for the operation diagnostics of mechanical heart valves.Objective. The aim of the research is to investigate the effect of fluid viscosity on the hydroacoustic characteristics of jets that flow from a semi-closed and open mechanical bileaflet heart valve. To study the possibility of using hydro­acoustic measuring instruments as diagnostic equipment for determining the working conditions of the bileaflet pro­sthe­tic heart valve.Methods. The experimental research was carried out by means of hydroacoustic measurements of the hydrodynamic noise in the near wake of the side and central jets of the glycerin solution and the pure water flow downstream of the prosthetic bileaflet heart valve.Results. The effect of fluid viscosity on the hydroacoustic characteristics of the jets that flow from a semi-closed and open mechanical bileaflet heart valve has been experimentally determined. Integral and spectral characteristics of the hydrodynamic noise of jets of the glycerin solution and the pure water flow downstream of the bileaflet mitral heart valve for different fluid rate were detected.Conclusions. In the stream conditions of pure water, the integral characteristics of the pressure field are lower than in stream conditions of the aqueous glycerin solution. As the glycerin concentration in the solution increases, increase average pressures and especially RMS pressure fluctuations. The spectral levels of the hydrodynamic noise in the near wake of the side jet of the glycerin solution are lower than for water flow in the frequency ranges from 1 to 7-8 Hz and from 100 to 1000 Hz for fluid rate 5 l/min. For higher fluid rates, the spectral components of the hydrodynamic noise in the near wake of the side jet of the glycerin solution of the semi-closed mitral valve are higher than that for the pure water. The greatest difference (1.5–1.8 times) in the spectral levels is observed in the frequency range from 10 to 100 Hz for the fluid rate 15 l/min.Проблематика. Численное моделирование и экспериментальные исследования использованы в качестве мощных инструментов для понимания и прогнозирования поведения и механики функционирования естественных клапанов сердца и их протезов в естественных и патологических состояниях. Такие исследования помогают оценить эффективность клапанов, их конструкцию и результаты хирургических процедур для диагностики нормального и нарушенного функционирования сердечных клапанов. Существует реальная проблема в создании более надежных методов и инструментов для диагностики условий работы механических сердечных клапанов.Цель исследования. Изучение влияния вязкости жидкости на гидроакустические характеристики струй, которые вытекают из полузакрытого и открытого механического двулепесткового клапана сердца; изучение возможности использования гидроакустических измерительных средств в качестве диагностического оборудования для определения условий работы двулепесткового искусственного клапана сердца.Методика реализации. Экспериментальное исследование проводилось с помощью гидроакустических измерений гидро­ди­намических шумов в ближнем следе боковой и центральной струй раствора глицерина и течения чистой воды ниже по потоку от искусственного двулепесткового клапана сердца.Результаты исследования. Экспериментально определено влияние вязкости жидкости на гидроакустические характеристики струй, вытекающих из полузакрытого и открытого механического двулепесткового клапана сердца. Обнаружены интег­ральные и спектральные характеристики гидродинамического шума струй глицеринового раствора и течения чистой воды ниже по потоку от двулепесткового митрального клапана сердца при различном расходе жидкости.Выводы. В условиях течения чистой воды интегральные характеристики поля давления меньше, чем в условиях течения водного раствора глицерина. С увеличением концентрации глицерина в растворе средние давления и особенно средне­квад­ратичные значения пульсаций давления увеличиваются. Спектральные уровни гидродинамического шума в ближнем следе боковой струи раствора глицерина ниже, чем для потока воды в частотных диапазонах от 1 до 7-8 Гц и от 100 до 1000 Гц для расхода жидкости 5 л/мин. Для более высоких расходов жидкости спектральные компоненты гидродинамического шума в ближнем следе боковой струи раствора глицерина полузакрытого митрального клапана выше, чем для чистой воды. Наибольшая разница  (в 1,5–1,8 раза) в спектральных уровнях наблюдается в диапазоне частот от 10 до 100 Гц для расхода жидкости 15 л/мин.Проблематика. Числове моделювання та експериментальні дослідження були використані як потужні інструменти, щоб зрозуміти і передбачити поведінку і механіку функціонування природних клапанів серця та їх протезів у природних і патологічних станах. Такі дослідження допомагають оцінити ефективність клапанів, їх дизайн і результати хірургічних процедур, щоб діагностувати нормальне і порушене функціонування серцевих клапанів. Актуальною є проблема створення більш надійних методів та інструментів, необхідних для діагностики умов роботи механічних клапанів серця.Мета дослідження. Вивчення впливу в’язкості рідини на гідроакустичні характеристики струменів, які витікають із напівзакритого і відкритого механічного двопелюсткового серцевого клапана; вивчення можливості використання гідро­акустичних ви­мірювальних приладів як діагностичного обладнання для визначення умов роботи двопелюсткового штучного клапана серця.Методика реалізації. Експериментальне дослідження проводилося за допомогою гідроакустичних вимірювань гідро­динамічного шуму в ближньому сліду бічного і центрального струменя розчину гліцерину і течії чистої води нижче за потоком від двопелюсткового штучного серцевого клапана.Результати дослідження. Експериментально визначено вплив в’язкості рідини на гідроакустичні характеристики струменів, які витікають із напівзакритого і відкритого механічного двопелюсткового серцевого клапана. Виявлено інтегральні та спектральні характеристики гідродинамічного шуму струменів розчину гліцерину і течії чистої води нижче за потоком від дво­пе­люст­кового мітрального клапана серця для різних витрат рідини.Висновки. В умовах потоку чистої води інтегральні характеристики поля тиску менші, ніж в умовах потоку водного розчину гліцерину. При підвищенні концентрації гліцерину в розчині середній тиск і особливо середньоквадратичні значення пульсацій тиску збільшуються. Спектральні рівні гідродинамічного шуму в ближньому сліду бічного струменя розчину гліцерину нижчі, ніж для потоку води в діапазонах частот від 1 до 7-8 Гц і від 100 до 1000 Гц для витрати рідини 5 л/хв. Для більш високих витрат рідини спектральні компоненти гідродинамічного шуму в ближньому сліду бічного струменя гліцеринового розчину напівзакритого мітрального клапана вищі, ніж для чистої води. Найбільша різниця (в 1,5–1,8 разу) – у спектральних рівнях спостерігається в діапазоні частот від 10 до 100 Гц для витрати рідини 15 л/хв