Simulation Numérique & Non Linéaire

Multi-physique & Couplage Fort

Fluide/Structure/Thermique/Electromagnétisme
 
Biomédical

Le véritable chalenge de la simulation dans le secteur Biomédical consiste à résoudre les grandes complexités liées notamment au fait que les problèmes soulevés sont multi-physiques et s’accompagnent de grandes déformations des tissus biologiques.
Largement utilisé dans le milieu du Biomédical, ADINA met au profit du secteur :
  1. Une large gamme de modèles de matériaux avancés
  2. Des Formulations d'éléments finis des plus fiables et efficaces, intégrant les grandes déformations .
  3. Des algorithmes de contacts robustes
  4. Des solveurs rapides et robustes
  5. L’ « état de l’art » des fonctionnalités d’interactions fluide-structure, uniques au monde.
  6. Une large gamme de capacités pour des analyses multiphysiques

Courtesy of M. Bathe, A. Shirai, R.D. Kamm, (Massachusetts Institute of Technology, USA)and C.M. Doerschuk (Rainbow Babies and Children’s Hospital and Case Western Reserve University, USA)

Simulation de passage des cellules neutrophiles dans un capillaire (2002)
cellule neurophileEn 2002, un groupe de chercheurs biologistes dont le Dr Mark Bathe, A. Shirai, R.D. Kamm et C.M. Doerschuk, ont mis en évidence le comportement d’un neutrophile face à une géométrie de capillaire pulmonaire donnée. Chaque fois qu'un neutrophile ( ce [...]
 
Simulation de passage des cellules neutrophiles dans un capillaire (2002)
cellule neurophileEn 2002, un groupe de chercheurs biologistes dont le Dr Mark Bathe, A. Shirai, R.D. Kamm et C.M. Doerschuk, ont mis en évidence le comportement d’un neutrophile face à une géométrie de capillaire pulmonaire donnée. Chaque fois qu'un neutrophile ( cellule ) passe par les poumons humains, il traverse généralement plus de 50 segments de capillaires. Le temps de transit du neutrophile dépend de son aptitude à la déformation, à sa tension superficielle, du gradient de pression à travers le capillaire, et de la géométrie du capillaire. Il s'agit d'un problème de couplage FORT d'interaction fluide-structure L’objectif ici, est d’utiliser le programme Adina- FSI pour simuler le temps de transit et la déformabilité du neutrophile lors de son passage à travers un segment de capillaire pulmonaire. Le capillaire est supposé avoir un rétrécissement de diamètre inférieur à celui du neutrophile et la différence de pression entre ses deux extrémités, crée une force d'entraînement pour le mouvement du neutrophile. Le plasma dans le capillaire est modélisé avec un fluide newtonien attaché à un maillage (ALE) , ARBITRAIREMENT LAGRANGIENNE EULERIENNE, afin d'assurer que la zone de maillage dense du fluide puisse accompagner le mouvement du neutrophile . De l’autre coté, le neutrophile est modélisé avec un matériau viscoélastique subissant de grands déplacements et de grandes déformations . Concernant les conditions limites, une tension de surface est appliquée sur le neutrophile ainsi que les conditions de contacts sont appliquées entre ses limites et les parois du capillaire

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Dr. Daniel Einstein, Univ. of Washington

Simulation de la valve aortique (2003)
VALVEDepuis l'époque de Léonard de Vinci, il est reconnu que les sinus à l’arrière des feuillets de la valve aortique produisent des vortex qui facilitent la fermeture avec une pression trans-valvulaire minime. L’objectif porte sur la simulation des comportements d’une valve aortique avec Adina-FSI. La racine de l'aorte et l [...]
 

Simulation de la valve aortique (2003)

VALVEDepuis l'époque de Léonard de Vinci, il est reconnu que les sinus à l’arrière des feuillets de la valve aortique produisent des vortex qui facilitent la fermeture avec une pression trans-valvulaire minime. L’objectif porte sur la simulation des comportements d’une valve aortique avec Adina-FSI.

La racine de l'aorte et la valve sont représentées par un maillage 2D en déformation plane. Une pression sinusoïdale de 14 mmHg est appliquée sur la face ventriculaire. Le sang est traité comme un fluide newtonien, légèrement compressible, avec une viscosité de 4,6 mPa.s, ce qui correspond à peu près à un taux de cisaillement expérimentale de 180/s à 37 ° C. Les feuillets et la racine de l'aorte sont modélisés par un matériau hyper-élastique (Neo- Hook ) isotrope avec une constante de 50 kPa.

Bien que les deux structures sont très anisotropes, cet exemple de modélisation en déformation plane illustre néanmoins la capacité du programme Adina à gérer efficacement le problème compliqué de contact de deux feuillets cardiaques en submersion total.

 

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Brian Sweetman* and Andreas A. Linninger*

Annals of Biomedical Engineering, DOI: 10.1007/s10439-010-0141-0 (2010) *Laboratory for Product and Process Design (LPPD), Department of Bioengineering, University of Illinois at Chicago, Science and Engineering Offices (SEO), Room 218 (M/C 063), 851 S Morgan St., Chicago, IL 60607-7052, USA » Etude 3D de l'écoulement de fluide céphalo-rachidien à l'intérieur du système nerveux central   L’analyse porte sur l'interaction entre l'écoulement de liquide céphalo-rachidien et la déformation des tissus du cerveau pendant les cycles d'écouleme [...]
 

Annals of Biomedical Engineering, DOI: 10.1007/s10439-010-0141-0 (2010)

*Laboratory for Product and Process Design (LPPD), Department of Bioengineering, University of Illinois at Chicago, Science and Engineering Offices (SEO), Room 218 (M/C 063), 851 S Morgan St., Chicago, IL 60607-7052, USA

» Etude 3D de l'écoulement de fluide céphalo-rachidien à l'intérieur du système nerveux central

 

L’analyse porte sur l'interaction entre l'écoulement de liquide céphalo-rachidien et la déformation des tissus du cerveau pendant les cycles d'écoulement. Comprendre le mécanisme de flux céphalo-rachidien est une étape importante dans la stratégie d‘ admission de médicaments pour le système nerveux central des patients.

Le modèle d'élément fini 3D est basé sur des images IRM d'un sujet humain. high-tech-pic3
  Les résultats ont été jugés en excellent accord avec les données expérimentales.
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Rupture du Carotide Athérome

R. Leach1,2,3,  V.L. Rayz2, B. Soares2, M. Wintermark2, M.R.K. Mofrad1, and D. Saloner1,2 Annals of Biomedical Engineering, DOI: 10.1007/s10439-010-0004-8, 2010 1UC Berkeley/UC San Francisco Joint Graduate Group in Bioengineering, Berkeley, CA, USA 2Department of Radiology, Biomedical Imaging, University of California San Francisco Medical Center, San Francisco, CA, USA 3Department of Radiology, San Francisco Veterans Affairs Medical Center, San Francisco, CA, USA Rupture du Carotide Athérome L'athérosclérose au niveau de la bifurcation carotidienne est un facteur de r [...]
 

R. Leach1,2,3,  V.L. Rayz2, B. Soares2, M. Wintermark2, M.R.K. Mofrad1, and D. Saloner1,2 Annals of Biomedical Engineering, DOI: 10.1007/s10439-010-0004-8, 2010 1UC Berkeley/UC San Francisco Joint Graduate Group in Bioengineering, Berkeley, CA, USA 2Department of Radiology, Biomedical Imaging, University of California San Francisco Medical Center, San Francisco, CA, USA 3Department of Radiology, San Francisco Veterans Affairs Medical Center, San Francisco, CA, USA

Rupture du Carotide Athérome

L'athérosclérose au niveau de la bifurcation carotidienne est un facteur de risque d'accident vasculaire cérébral. Cette étude permet de comparer la rupture observée in vivo du carotide athérome et la distribution des contraintes de la plaque, obtenue à partir d'une analyse interaction fluide-structure basée sur l'imagerie médicale de pré-rupture.

high-tech-pic6 Une bonne corrélation a été observée entre la région où le niveau de contrainte est importante, (située dans la couche de plaque fibreuse de la lésion), et la zone de rupture des plaques.

 

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College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

syndrome de l'apnée obstructive du sommeil Les capacités d’ interaction fluide-structure et les nouveaux fonctionnalités disponibles sous l’interface de prétraitement ADINA-AUI, notamment la possibilité de recréer une géométrie 3D à partir des fichiers STL importés, permet de repousser les frontières de la simulation numérique. Par exemple, à l’université de Pékin, une équipe de chercheurs s’est intéressée au syndrome de l'apnée obstructive du sommeil. Il s’ agit d’un trouble respiratoire lié au sommeil et caractérisé par un [...]
 

syndrome de l'apnée obstructive du sommeil

Les capacités d’ interaction fluide-structure et les nouveaux fonctionnalités disponibles sous l’interface de prétraitement ADINA-AUI, notamment la possibilité de recréer une géométrie 3D à partir des fichiers STL importés, permet de repousser les frontières de la simulation numérique.

Par exemple, à l’université de Pékin, une équipe de chercheurs s’est intéressée au syndrome de l'apnée obstructive du sommeil. Il s’ agit d’un trouble respiratoire lié au sommeil et caractérisé par un effondrement répétitif du pharynx, de la réouverture de la cavité buccale et nasale. Les données CT d'un patient ont permis d’établir un modèle numérique 3D complet des voies respiratoires, comprenant le crâne, le cou, l’os hyoïde ainsi que les tissus mous qui entourent les voies aériennes supérieures.

L’étude du mécanisme de l'effondrement du pharynx lors de l'inspiration est conduite par une analyse transitoire d'interaction fluide-structure sur le modèle Elément-fini F 3D complet.

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Modèle d'éléments finis, où les couleurs représentent les différents matériaux utilisés

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Michigan Critical Care Consultants (www.mc3corp.com)

Simulation de poumon artificiel – 2002
 
bio-medical-pic3Utilisation de ADINA-FSI pour concevoir un boîtier de poumon artificiel. Le nouveau modèle comporte un séparateur de flux pour distribuer le sang à travers le faisceau de fibres (où l'oxygène est transféré au sang et le CO2 es [...]
 

Simulation de poumon artificiel – 2002

 

bio-medical-pic3Utilisation de ADINA-FSI pour concevoir un boîtier de poumon artificiel.

Le nouveau modèle comporte un séparateur de flux pour distribuer le sang à travers le faisceau de fibres (où l'oxygène est transféré au sang et le CO2 est éliminé du sang), ce qui réduit une perte de pression de 40%. Par conséquent, ces simulations sont cruciales pour mener à bien les tests sur des animaux, car le but était, avant tout, de s’assurer que le cœur de l'animal supporte la résistance du nouvel appareil.

 
 
D'excellents résultats sont obtenus  et présentés au cours de la conférence  « American Society for Artificial Internal Organs (ASAIO). »
 
SOURCE  : S.D. Chambers, R.H. Bartlett, J.P. Montoya, « 3-D Computational Fluid Dynamics in Artificial Lung Design: Steady and Transient Models, ASAIO J 46(2): 231, 2000 »
 
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