Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1143910.32607/actanaturae.11439ReviewsОбзорыReview ArticleThe Hydrodynamics of a Swirling Blood Flow in the Left Heart and AortaГидродинамические особенности закрученного потока крови в левых отделах сердца и аортеAgafonovAndrey V.АгафоновАндрей Васильевич
Russian Federation
agorodkov@bk.ruTalyginEvgeny A.ТалыгинЕвгений Алексеевич
Russian Federation
agorodkov@bk.ruBockeriaLeo A.БокерияЛео Антонович
Russian Federation
agorodkov@bk.ruGorodkovAlexander Yu.ГородковАлександр Юрьевич
Russian Federation
agorodkov@bk.ruBakulev National Medical Research Center of Cardiovascular Surgery, Ministry of Health of the Russian FederationНациональный медицинский исследовательский центр сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева МЗ РФ151220211344162604202125112021Copyright ©; 2021, Agafonov A.V., Talygin E.A., Bockeria L.A., Gorodkov A.Y.Copyright ©; 2021, Агафонов А.В., Талыгин Е.А., Бокерия Л.А., Городков А.Ю.2021Agafonov A.V., Talygin E.A., Bockeria L.A., Gorodkov A.Y.Агафонов А.В., Талыгин Е.А., Бокерия Л.А., Городков А.Ю.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/11439

This paper proposes a new approach to the quantitative analysis of the hydrodynamic structure of a blood flow in the flow channel running from the left atrium to the end of the aorta. This approach is based on the concept of the structural organization of tornado-like swirling jets in channels with a given geometric configuration. Considering the large amount of experimental data in our possession, it was shown that along the entire length of the flow channel, conditions exist for the generation and maintenance of a swirling structure of the jet throughout the entire cardiac cycle. This study has given rise to a new direction in research in fundamental physiology and medicine, which is of great practical importance for diagnosing and treating circulatory disorders accompanied by changes in the geometric configuration and biomechanical characteristics of the heart and great vessels.

Предложен новый подход к количественному анализу гидродинамической структуры потока крови в проточном канале, начинающемся в левом предсердии и заканчивающемся в конце аорты. Этот подход основан на использовании концепции структурной организации смерчеобразных закрученных струй в каналах определенной геометрической конфигурации. На основании большого количества экспериментальных данных показано, что на всем протяжении рассматриваемого канала существуют условия для генерации и поддержания закрученной структуры струи в течение всего сердечного цикла. В результате исследования появилось новое направление фундаментальной физиологии и медицины, имеющее большое практическое значение для диагностики и лечения расстройств кровообращения, сопровождаемых изменением геометрической конфигурации и биомеханических характеристик сердца и магистральных сосудов.

left atriumleft ventricleaortaswirling blood flowлевое предсердиелевый желудочек сердцааортазакрученный поток кровиГрант Российского научного фондаGrant of the Russian Science Foundation16-15-00109Bremer J. // Amer. J. Anatomy. 1932. V. 49. P. 409–440.Markl M., Kilner P.J., Ebbers T. // J. Cardiovasc. Magn. Reson. 2011. V. 13. P. 7. doi: 10.1186/1532-429X-13-7Buonocore M.H. // Magn. Reson. Med. 1998. V. 40(2). P. 210–226. doi: 10.1002/mrm.1910400207Kilner P.J., Yang G.Z., Mohiaddin R.H., Firmin D.N., Longmore D.B. // Circulation. 1993. V. 88. № 5. P. 2235–2247. doi: 10.1161/01.cir.88.5.2235Frazin L.J., Vonesh M.J., Chandran K.B., Shipkowitz T., Yaacoub A.S., McPherson D.D. // ASAIO J. 1996. V. 42(6). P. 951–956. doi: 10.1097/00002480-199642060-00006Bagaev S.N., Zakharov V.N., Orlov V.A. // Russian Journal of Biomechanics. 2002. V. 6. № 4. P. 30–50. (in Russian)Багаев С.Н., Захаров В.Н., Орлов В.А. // Рос. журн. биомех. 2002. Т. 6. № 4. С. 30–50.Kirsanov R.I., Kulikov V.P. // Uspekhi Fiziologicheskih nauk. 2013. V. 44. № 2. P. 62–78. (in Russian)Кирсанов Р.И., Куликов В.П. // Успехи физиол. наук. 2013. Т. 44. № 2. С. 62–78.Gallo D., Isu G., Massai D., Pennella F., Deriu M. A., Ponzini R., Bignardi C., Audenino A., Rizzo G. Morbiducci U. Visualization and simulation of complex flows in biomedical engineering: Lecture notes in computational vision and biomechanics / Еds Lima R., Imai Y., Ishikawa T., Oliveira M. Dordrecht: Springer, 2014. V. 12.Gallo D., Isu G., Massai D., Pennella F., Deriu M.A., Ponzini R., Bignardi C., Audenino A., Rizzo G. Morbiducci U. Visualization and simulation of complex flows in biomedical engineering: Lecture notes in computational vision and biomechanics / Еds Lima R., Imai Y., Ishikawa T., Oliveira M. Dordrecht: Springer, 2014. V. 12.De Nisco G., Kok A.M., Chiastra C., Gallo D., Hoogendoorn A., Migliavacca F., Wentzel J.J., Morbiducci U. // Ann. Biomed. Eng. 2019. V. 47(2). P. 425–438. doi: 10.1007/s10439-018-02169-xBockeria L.A., Gorodkov A.J., Dorofeev A.V., Alshibaya M.D. // Eur. J. Cardiothorac. Surg. and the RESTORE Group. 2006. V. 29. P. 251–258. doi: 10.1016/j.ejcts.2006.02.057Pedley T.G. The fluid mechanics of large blood vessels. Cambridge: University Press, 1980.Caro C.G., Watkins N.W., Sherwin S.J., Pitt R., Giordana S., Franke P.T., Peiro J., Doorly D.J., Papaharilaou Y., Chesire N., Jackson M., Bicknall C. Swirling circulatory and respiratory flow: Biological/pathological implications. IFMBE Proc. EMBEC, 2002. P. 8–16.Gataulin Y.A., Yukhnev A.D., Zaitsev D.K., Smirnov E.M., Kulikov V.P., Kirsanov R.I. Structure of the secondary flow in the bifurcation of a blood vessel: patientspecific modeling and clinical Doppler measurements. Proceedings of the International Conference PhysicA.SPb. 23–25 October 2018. St. Petersburg: A.F. Ioffe Physico-Technical Institute. 2018. P. 270–271. (in Russian)Гатаулин Я.А., Юхнев А.Д., Зайцев Д.К., Смирнов Е.М., Куликов В.П., Кирсанов Р.И. Структура вихревого течения в бифуркации кровеносного сосуда: сопоставление результатов пациент-ориентированных расчетов и клинических доплеровских измерений. Тез. докл. международной конференции ФизикА. СПб 23–25 октября 2018 года. Санкт-Петербург: ФТИ им. А.Ф. Иоффе. 2018. C. 270–271.Pedrizzetti G., La Canna G., Alfieri O., Tonti G. // Nat. Rev. Cardiol. 2014. V. 11. P. 545–553. doi: 10.1038/nrcardio.2014.75Pasipoularides A. // Hellenic J. Cardiol. 2012. V. 53. P. 458–469.Burakovskiy V.I., Dobrova N.B., Kuzmina N.B., Agafonov A.V., Roeva L.A., Drogaytsev A.D. // Experimental Surgery and Anaesthesiology. 1976. № 3. P. 13–16. (in Russian)Бураковский В.И., Доброва Н.Б., Кузьмина Н.Б., Агафонов A.B., Роева Л.A., Дрогайцев А.Д. // Эксп. хирургия и анестезиология. 1976. № 3. С. 13–16.Varaksin A.Y., Romash M.E., Kopeytsev V.N. Tornado. M.: PhysMathLit, 2011. 344 p. (in Russian)Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н. Торнадо. М.: Физматлит, 2011. 344 с.Rotunno R. // Annu. Rev. Fluid Mechanics. 2013. V. 45. P. 59–84.Goldshshtick M.A. Vortical Flows. Novosybirsk: Nauka, 1981. 367 p. (in Russian)Гольдштик М.А. Вихревые потоки. Новосибирск: Наука, 1981. 367 с.Escudier M. // Annu. Rev. Fluid Mechanics. 1987. V. 19. № 1. P. 27–52.Piralishvili Sh.A. Vortical Effect. V. 1. Physical Phenomenon, Experiment, Theoretical Modeling. M.: NauchTechLitIzdat, 2013. 343 p. (in Russian)Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Т. 1. Физическое явление, эксперимент, теоретическое моделирование. М.: Научтехлитиздат, 2013. 343 с.Biriuk V.V., Veretennikov S.V., Gurianov A.I., Piralishvili Sh.A. Vortical Effect. Technical Applications. M.: NauchTechLitIzdat, 2014. V. 2(1). 288 p. (in Russian)Бирюк В.В., Веретенников С.В., Гурьянов А.И., Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Технические приложения. М.: Научтехлитиздат, 2014. Т. 2. Ч. 1. 288 с.Piralishvili Sh.A., Pisarevskiy A.S. // Izvestiya Rossiyskoy Academii Nauk. Fluid and Gas Mechanics. 2013. № 3. P. 138–147. (in Russian)Пиралишвили Ш.А., Писаревский А.С. // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2013. № 3. С. 138–147.Kiknadze G.I., Krasnov Yu.K. // Sov. Phys. Dokl. 1986. V. 290. № 6. P. 1315–1319. (in Russian)Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К. // Докл. АН СССР. 1986. Т. 290. № 6. С. 1315–1319.Kiknadze G.I., Krasnov Yu.K., Podymaka N.F., Khabenskiy V.B. // Sov. Phys. Dokl. 1986. V. 291. № 6. P. 1315–1318. (in Russian)Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К., Подымака Н.Ф., Хабенский В.Б. // Докл. АН СССР. 1986. Т. 291. № 6. С. 1315–1318.Andreev V.K., Kaptsov O.V., Pukhnachiov V.V., Rodionov A.A. Application of group-theoretical methods in hydrodynamics. Novosybirsk: VO Nauka, 1994. 319 p. (in Russian)Андреев В.К., Капцов О.В., Пухначёв В.В., Родионов А.А. Применение теоретико-групповых методов в гидродинамике. Новосибирск: ВО Наука, 1994. 319 с.Goldshtik M.A. // Annu. Rev. Fluid Mechanics. 1990. Т. 22. № 1. P. 441–472.Shtern V., Hussain F. // Annu. Rev. Fluid Mechanics. 1999. V. 31. № 1. P. 537–566.Kiknadze G.I., Gachechiladze I.A., Gorodkov A.Yu. Self-Organization of Tornado-Like Jets in Flows of Gases and Liquids and the Technologies Utilizing This Phenomenon. Proc. ASME 2009 Heat Transfer Summer Conference. San Francisco, California, USA. July 19–23 2009. P. 547–560. doi:10.1115/HT2009-88644Kiknadze G.I., Gachechiladze I.A., Gorodkov A.Yu. Self-Organization of Tornado-Like Jets in Flows of Gases and Liquids and the Technologies Utilizing This Phenomenon. Proc. ASME 2009 Heat Transfer Summer Conference. San Francisco, California, USA. July 19–23 2009. P. 547–560. doi: 10.1115/HT2009-88644Kiknadze G.I., Gachechiladze I.P., Alekseev V.V. Self-Organization of Tornado-Like Jets in Flows of Viscous Continua and Enhancement of Heat Transfer which Accompanies This Phenomenon. M.: MEI Publ. House, 2005. 83 p. (in Russian)Кикнадзе Г.И., Гачечиладзе И.А., Алексеев В.В. Самоорганизация смерчеобразных струй в потоках вязких сплошных сред и интенсификация тепломассообмена, сопровождающая это явление. М.: Изд-во МЭИ, 2005. 83 с.Burgers J.M. // Adv. Appl. Mechanics. 1948. V. 1. P. 171–199.Kiknadze G.I., Olejnikov V.G., Gachechiladze I.A., Gorodkov A.Y., Dobrova N.B., Baquey C., Barat J.-L. // Doklady Akademii nauk. 1996. V. 351. P. 119–122. (in Russian)Кикнадзе Г.И., Олейников В.Г., Гачечиладзе И.А., Городков А.Ю., Доброва Н.Б., Бакей Ш., Бара Ж.-Л. // Докл. Акад. наук. 1996. Т. 351. С. 119–122.Gorodkov A.Y. // Bulleten of NCSSKh im. Bakuleva RAMN. 2003. № 9. P. 61–66. (in Russian)Городков А.Ю. // Бюл. НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН. 2003. № 9. С. 61–66.Gorodkov A.Y., Nikolaev D.A. // Bulleten of NCSSKh im. Bakuleva RAMN. 2003. № 9. P. 67–69. (in Russian)Городков А.Ю., Николаев Д.А. // Бюл. НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН. 2003. № 9. С. 67–69.Bockeria L.A., Gorodkov A.Y., Nikolaev D.A, Kiknadze G.I., Gachechiladze I.A. // Bulleten NCSSKh im. Bakuleva RAMN. 2003. № 9. P. 70–74. (in Russian)Бокерия Л.А., Городков А.Ю., Николаев Д.А., Кикнадзе Г.И., Гачечиладзе И.А. // Бюл. НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН. 2003. № 9. С. 70–74.Boсkeria L.A., Kiknadze G.I., Gachechiladze I.A., Gorodkov A.Y. Application of Tornado-flow Fundamental Hydrodynamic Theory to the Study of Blood Flow in the Heart and Main Vessels – Further Development of Tornado-like Jet Technology. Proc. ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress & Exposition ASME2011, November 11–17, 2011. Denver, Colorado, USA. IMECE2011-63769. doi: 10.1115/IMECE2011-63769Bockeria L.A., Kiknadze G.I., Gachechiladze I.A., Gabidullina R.F., Makarenko V.N. // Cardiometry. 2013. № 3. P. 5–29. doi: 10.12710/cardiometry.2013.3.530Talygin E.A., Zazybo N.A., Zhorzholiany S.T., Krestinich I.M., Mironov A.A., Kiknadze G.I., Bokeriya L.A., Gorodkov A.Yu., Makarenko V.N., Aleksandrova S.A. // Uspekhi Fiziologicheskikh Nauk. 2016. V. 47. № 1. P. 48–68. (in Russian)Талыгин Е.А., Зазыбо Н.А., Жоржолиани Ш.Т., Крестинич И.М., Миронов А.А., Кикнадзе Г.И., Бокерия Л.А., Городков А.Ю., Макаренко В.Н., Александрова С.А. // Успехи физиол. наук. 2016. Т. 47. № 1. С. 48–68.Schlichting H. Boundary-Layer Theory. M.: Nauka,1969. (in Russian)Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969.Zhorzholiani Sh.T., Mironov A.A., Talygin E.A., Cygankov Yu.M., Agafonov A.V., Kiknadze G.I., Gorodkov A.Yu., Bokeriya L.A. // Byul. eksp. biol. med. 2017. V. 164. № 10. P. 519–524.Жоржолиани Ш.Т., Миронов А.А., Талыгин Е.А., Цыганков Ю.М., Агафонов А.В., Кикнадзе Г.И., Городков А.Ю., Бокерия Л.А. // Бюл. эксп. биол. мед. 2017. Т. 164. № 10. С. 519–524.Tkhagapsova M.M., Talygin E.A., Zhorzholiani Sh.T., Agafonov A.V., Dorofeev A.V., Gorodkov A.Yu., Kiknadze G.I., Bokeriya L.A. // Biophysics. 2020. V. 65 № 1. P. 165–174. doi: 10.31857/S0006302920010184Тхагапсова М.М., Талыгин Е.А., Жоржолиани Ш.Т., Агафонов А.В., Дорофеев А.В., Городков А.Ю., Кикнадзе Г.И., Бокерия Л.А. // Биофизика. 2020. Т. 65. № 1. С. 165–174. doi: 10.31857/S0006302920010184Talygin E., Kiknadze G., Agafonov A., Gorodkov A. Application of the tornado-like flow theory to the study of blood flow in the heart and main vessels: Study of the potential swirling jets structure in an arbitrary viscous medium. Proceedings of the ASME 2019 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. V. 3: Biomedical and Biotechnology Engineering. Salt Lake City, Utah, USA. November 11–14, 2019. V003T04A032. ASME. https://doi.org/10.1115/IMECE2019-11298Talygin E.A., Zhorzholiani Sh.T., Tkhagapsova M.M., Tsygankov Y.M., Agafonov A.V., Gorodkov A.Y., Kiknadze G.I., Bockeria L.A. Reconstruction of Swirling Blood Flow in the Heart and Aorta on the Basis of Measurements of Dynamic Geometry and Elastic Properties of the Flow Channel. 2019. IMECE2018-87680, V003T04A052; 7 pages. doi: 10.1115/IMECE2018-87680Gorodkov A.Yu. Using the concept of tornado-like viscous fluid flows to explain the phenomenon of blood movement in the heart and great vessels. “Physiology and pathology of blood circulation”. VII All-Russian school-conference with international participation. February 3–6 2020. M.: Moscow State University. M.V. Lomonosov. Faculty of Fundamental Medicine. 2020. P. 17–19.Городков А.Ю. Использование концепции смерчеобразных течений вязкой жидкости для объяснения феномена движения крови в сердце и магистральных сосудах. «Физиология и патология кровообращения». VII Всероссийская с международным участием школа-конференция. 3–6 февраля 2020 г. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова. Факультет фундаментальной медицины. 2020. С. 17–19.Pedrizzetti G., Domenichini F. // Ann. Biomed. Eng. 2015. V. 43. № 1. P. 26–40. doi: 10.1007/s10439-014-1101-xPedrizzetti G., Domenichini F. // Ann. Biomed. Eng. 2015. V. 43. № 1. P. 26–40. doi: 10.1007/s10439-014-1101-x.Zhorzholiani Sh.T., Talygin E.A., Krasheninnikov S.V., Cygankov Yu.M., Agafonov A.V., Gorodkov A.Yu., Kiknadze G.I., Chvalun S.N., Bokeriya L.A. // Human Physiology. 2018. V. 44. № 5. P. 47–56. doi: 10.1134/S013116461805017XЖоржолиани Ш.Т., Талыгин Е.А., Крашенинников С.В., Цыганков Ю.М., Агафонов А.В., Городков А.Ю., Кикнадзе Г.И., Чвалун С.Н., Бокерия Л.А. // Физиология человека. 2018. Т. 44. № 5. С. 47–56. doi: 10.1134/S013116461805017X.Talygin E.A., Zhorzholiani Sh.T., Agafonov A.V., Kiknadze G.I., Gorodkov A.Yu., Bockeria L.A. // Human Physiol. 2019. V. 45. № 5. Р. 527–535. doi: 10.1134/S0362119719050190Talygin E.A., Zhorzholiani Sh.T., Agafonov A.V., Kiknadze G.I., Gorodkov A.Yu., Bockeria L.A. // Human Physiol. 2019. V. 45. № 5. Р. 527–535. doi: 10.1134/S0362119719050190.