סמינר מחלקתי Karin Lavon and Daniel Cohen

School of Mechanical Engineering Seminar
Wednesday, January 6, 2016 at 15:00
Wolfson Building of Mechanical Engineering, Room 206

A New Fluid-Structure Interaction Bio-Mechanical Models for Bicuspid Aortic Valves

Karin Lavon

MSc Student of Prof. Rami Haj- Ali and Prof. Ehud Raanani

The bicuspid aortic valve (BAV) is the most common type of congenital heart disease, occurs in 0.5-2% of the population, where instead of normally three cusps, the aortic valve has only two cusps. The BAV is associated with valvular pathologies such as aortic regurgitation and aortic stenosis. A possible cause for these complications is related to a non-optimal geometry of the valve. The common configuration of BAV include one raphe with varying cusps angles. Surgical repair is often performed in BAVs with smaller non fused cusp (NFC) angle.

The aim of this study is to provide a new Fluid-Structure Interaction (FSI) modeling approach of BAVs that can be used to investigate the influence of different geometrics parameters on its functionality. The effect on parameters such as effective orifice area (EOA), hemodynamic metrics and stresses magnitudes on the tissues are examined.

Parametric FSI models of BAVs were generated, with four common BAV geometries. These include one raphe and different NFC angles from 120° to 180°. The material properties of the structure and the applied pressures of the left ventricle and ascending aorta corresponded to physiologic response values. A “dry” (without fluid) structural finite element (FE) BAV models were performed and compared to the FSI cases. Echocardiography (Echo) data from patients with BAV was used to correlate with the present FE results.

The simulated BAVs have significant geometrical differences leading to different mechanical responses and behavior. Increased and eccentric located effective orifice areas (EOAs) were found in the models having decreased NFC angles, leading to asymmetric blood flow jet. The measured echo results support this predicted pattern. During diastole and systole, high stresses and shear stresses were found, respectively, in the models of NFC with decreased angle.

The predicted biomechanical behavior in the form of jet flow patterns (hemodynamics) and stresses can help assess the functionality and durability of BAVs. High stress regions on the leaflets explain the initiation of calcification, while asymmetric flow jet can be a major cause for eccentric aortic dilatation. This can explain early failure in BAVs with decreased NFC angle. The present computational modeling is a step forward towards patient specific simulation of future BAV repair.

School of Mechanical Engineering Seminar
Wednesday, January 13, 2015 at 15:00
Wolfson Building of Mechanical Engineering, Room 206

בחינת יציבות עבור מבני טנזגריטי על בסיס ידע מתורת המכניזמים

דניאל כהן

סטודנט של פרופ' עופר שי

טנזגריטי (Tensegritiy) הינם מסבכים העשויים מכבלים ו-Struts (תומכנים) כאשר העומס המתפתח בהם הינו צירי בלבד. ניתן להרחיב את ההגדרה עבור מבנים אלו כמערכת המכילה אילוצים חד צדדים בלבד. הגדרה זו מקשרת את מבני הטנזגריטי למספר דוגמאות בתחומי הנדסה המתמטיקה הכימיה והביולוגיה.

השימוש במבנים אלו איננו מוגבל רק למערכות סטטיות . כיום מתקיים פיתוח של רובוטים היכולים לשנות את קשיחותם המבוססים על מבני טנזגריטי. נאס"א מתכננת לשגר רובוט טנזגריטי לירח של כוכב לכת בגלל   משקלו ונפחו היחסית קטנים. בנוסף לכך למבנה יש יכולת ספיגת אנרגיה כך שהנחיתה תהיה ללא צורך בהתקן הנחתה.

תהליך מציאת הגיאומטריה הקשיחה של מבנה טנזגריטי מסוים סטטי ניתן לביצוע במספר דרכים חלקם אנליטיות וחלקם נומריות. הדרישה הכללית בכל השיטות היא שהמבנה יהיה בגיאומטריה סינגולרית. כלומר, יהיה איזון כוחות בכל הצמתים תחת עומס מקדים. תנאים אלו מבטיחים שהגאומטריה קיימת אך לא בהכרח יציבה כלומר יכול להתקיים איזון כוחות אך הוא לא ימצא במינימום אנרגיה. במילים אחרות, תנאי הסינגולריות הינו תנאי הכרחי אך לא מספיק. במקרה של אי יציבות אנרגטית מבנה הטנזגריטי ישנה את הגיאומטריה כך שלא יהיה בגיאומטריה סינגולרית, וימשיך לשנות את הגאומטריה בעקבות אי איזון כוחות פנימיים. תנאים לבדיקת יציבות בעזרת אנרגיה פוטנציאלית של המבנה דווחו בספרות, אך התוצאה המתקבלת הינה ערך סקלרי, ועל כן אינם מאפשרים לבצע בקרה באופן אנליטי.

במחקר זה, פותחה שיטה המאפשרת לבצע בקרה אנליטית. שיטה זו מבוססת על מבנים מסוימים סטטית מינימליים בשם גרפי אסור (Assur Graphs-AG). לגרפים אלו תכונה ייחודית, מוכחת מתמטית, שניתן לקבוע יציבות של כל המבנה על ידי בדיקת אלמנט אחד בלבד. מכיוון שכל מבנה מסוים סטטי הינו AG או הרכבה של AG שיטה זו תקפה לכל מבנה מסוים סטטי. השיטה המוצעת הינה בעלת סיבוכיות  כאשר שיטה אחרת הקיימת כיום הינה בעלת סיבוכיות .