Talasno prostiranje u gravitacionom polju: eksperimentalno istraživanje uticaja gravitacije na prostiranje pulsnih talasa kroz elastične cevi ispunjene viskoznim fluidom na biofizičkim modelima kardiovaskularnog sistema

Abstract

Zbog porasta kardiovaskularnih bolesti u svetu, istraživanja su sve više usmerena na što precizniju medicinsku dijagnostiku ispitujući uzročnike kardiovaskularnih bolesti. Jedan od važnijih kardiovaskularnih parametara koji opisuje stanje krvnih sudova i daje veoma korisne informacije o stanju kardiovaskularnog sistema i njegovoj fiziološkoj starosti je brzina pulsnog talasa. Na brzinu prostiranja pulsnih talasa kroz kardiovaskularni sistem utiču različiti spoljašnji i unutrašnji faktori kao što su: viskoznost i gustina krvi, debljina i elastičnost krvnih sudova, gravitacija, dijastolni pritisak, položaj tela. TakoĎe, fizička aktivnost, razna fiziološka, akutna i patološka stanja mogu da dovedu do promene brzine prostiranja pulsnih talasa. Za istraživanje fenomena talasnog prostiranja krvi kroz kardiovaskularni sistem i ispitivanje uticaja spoljašnjih i unutrašnjih faktora na prostiranje talasa koriste se različite kompjuterske simulacije kao i biofizičko modelovanje. Istraživanja na modelima koja su do danas sprovedena nisu uzela u obzir uticaj gravitacije, unutrašnjeg pritiska i viskoznosti fluida na brzinu prostiranja pulsnog talasa. Glavni cilj ove disertacije je da se na biofizičkim modelima kardiovaskularnog sistema eksperimentalno odredi brzina prostiranja pulsnih talasa kroz elastične cevi ispunjene viskoznim fluidom u gravitacionom polju. Da bi istražili kako gravitacija utiče na brzinu pulsnog talasa, razvijena su dva biofizička modela kardiovaskularnog sistema koja simuliraju kretanje krvi u stojećem i ležećem položaju tela. TakoĎe, merene su brzine pulsnih talasa za tečnosti različite viskoznosti i gustine u elastičnim cevima različitog poluprečnika i debljine zida i pri različitim vrednostima pritiska unutar elastičnih cevi kroz koju se talas prostire. Dobijeni eksperimentalni rezultati pokazuju da postoje razlike u brzini prostiranja pulsnih talsa u smeru gravitacije u odnosu na suprotni smer. TakoĎe je pokazano da se sa promenom viskoznosti fluida, brina pulsnog talasa na isti način menja u oba smera. Rezultati pokazuju i da promena viskoznosti tečnosti, poluprečnika i debljine zida cevi, kao i pritiska unutar cevi utiče na brzinu prostiranja pulsnih talasa, Predstavljeni rezultati u ovoj disertaciji ukazuju i na to da se Moens-Korteweg jednačina koja se koristi za računanje brzine prostiranja pulsnih talasa ne može primeniti za viskozne fluide u gravitacionom polju. Na osonovu eksperimentalno dobijenih rezultata istarživanja na biofizičkim modelima kardiovaskularnog sistema izvedena je i jednačina koja predstavlja matematičku relaciju izmeĎu brzne pulsnih talasa, gravitacije, parametara fluida i geometrije cevi.

Due to the increase in cardiovascular diseases in the world, research is increasingly focused on the most accurate medical diagnostics by examining the causes of cardiovascular diseases. One of the most important cardiovascular parameters that describes the condition of blood vessels and gives very useful information about the condition of the cardiovascular system and its physiological age is the pulse wave velocity. The pulse wave velocity through the cardiovascular system is influenced by various external and internal factors such as: viscosity and density of blood, thickness and elasticity of blood vessels, gravity, diastolic pressure, body position. Also, physical activity, various physiological, acute and pathological conditions can lead to a change in the pulse wave velocity. Various computer simulations, as well as biophysical modeling, are used to investigate the phenomenon of blood wave propagation through the cardiovascular system and to examine the influence of external and internal factors on wave propagation. The research on the models that have been conducted so far has not considered the influence of gravity, internal pressure of fluid and viscosity on the pulse wave velocity. The main goal of this dissertation is to experimentally determine the pulse wave velocity through viscous fluid-filled elastic tubes in a gravitational field on biophysical models of the cardiovascular system. To investigate how gravity affects the pulse wave velocity, two biophysical models of the cardiovascular system have been developed that simulate the blood flow in the standing and lying position of the body. Pulse wave velocities were measured for fluids of different viscosities and densities in elastic tubes of different radius and wall thickness and at different values of fluid pressure. Experimental results show the existence of a difference in the velocities of pulse waves in the direction of gravity in relation to the opposite direction. It has been shown that as the fluid viscosity changes, the pulse wave velocity changes in the same way in both directions. The results show that the change in fluid viscosity, radius and tube wall thickness, as well as fluid pressure affect the propagation of the pulse wave. The results presented in the dissertation indicate that the Moens-Korteweg equation used to calculate pulse wave velocities cannot be applied to viscous fluids in a gravitational field. Using experimental results obtained on biophysical models of the cardiovascular system, the equation of mathematical relation between pulse wave velocity, gravity, fluid parameters and tube geometry was derived.