Design, validation and testing of an in vitro bladder flow simulator

Mohammadi, Kyarash (2025). Design, validation and testing of an in vitro bladder flow simulator. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ureteral jet patterns and the resulting intravesical flow may offer fluid-dynamic biomarkers of urinary system dysfunction, however in vivo measurements offer limited access to the full flow field. This thesis presents the design and validation of an in vitro bladder flow simulator that is compatible with both ultrasound and particle image velocimetry (PIV), enabling controlled studies of bladder flow dynamics as a function of various conditions of the urinary system. The platform combines an adult-sized silicone bladder phantom mounted in an optically clear chamber, dual syringe-driven ureteral inlets actuated by programmable linear motors to reproduce a range of jet morphologies, and intravesical pressure sensing.

Stepwise filling from 256 to 286 mL produced a nearly linear pressure–volume response from 0 to 13.26 mmHg, with a global elastance of 0.44 ± 0.01 mmHg·mL⁻¹ (compliance of 1.66 ± 0.02 mL·cmH₂O⁻¹), indicating reproducible, volume-independent stiffness over the tested range. Color and pulsed Doppler ultrasound were then used to characterize three physiologically motivated ureteral jet programs. Biphasic jets (healthy case) attained ejection durations of 3.8 ± 0.3 s (4.00-s target) while reproducing programmed peaks of 20 to 90 cm·s⁻¹ to within 3 cm·s⁻¹ (≤ 8%). Monophasic jets (rarer physiological events) yielded 3.3 ± 0.2 s ejection durations (3.50-s target) with 20–30 cm·s⁻¹ peaks within 9% of the target. Continuous jets (pathological case) produced 4.9 s ± 0.2 s plateaus (5.00-s target) at 10–25 cm·s⁻¹ with 6– 15% velocity error. These values and waveform morphologies closely matched published human recordings in the literature, confirming that the simulator can reproduce both normal and dysfunctional ultrasound signatures.

Planar PIV in a water–glycerin medium was used to study intravesical velocity, vorticity, and viscous energy dissipation fields for the same three inflow waveforms. Biphasic waveforms concentrated kinetic energy and dissipation into two brief bursts, with a peak speed of 38.60 cm·s⁻¹ and a peak local dissipation of 170 W·m⁻³. The bursts drove rapid jet penetration and vigorous mixing. A transitional (moderately biphasic) program redistributed shear into a spatially longer high-shear region with lower peaks (30.61 cm·s⁻¹) but more sustained recirculation at the upper bladder wall. The continuous program yielded the lowest instantaneous dissipation, with spatial maxima of only 25–30 W·m⁻³, yet maintained a moderate jet shear for the longest portion of the ejection, with intravesical peak velocities around 16.05 cm·s⁻¹ and large regions of slow recirculating flow along the walls. Together, these results demonstrate that the proposed simulator can link clinically-accessible ultrasound signatures to intravesical flow metrics and provides a modular platform for future studies.

Titre traduit

Conception et validation d'un simulateur d'écoulement vésical

Résumé traduit

Les jets urétéraux et l’écoulement intravésical qui en résulte pourraient constituer des biomarqueurs de conditions du système urinaire basés sur la dynamique des fluides. Cependant, les mesures in vivo offrent un accès limité à l’écoulement. Ce mémoire présente la conception et la validation d’un simulateur d’écoulement vésical in vitro compatible avec l’échographie et la vélocimétrie par image de particules (PIV), permettant des études contrôlées de l’écoulement vésical en fonction de diverses conditions du système urinaire. La plateforme combine un fantôme en silicone de la vessie (taille adulte), une chambre en acrylique optiquement transparente, deux entrées urétérales actionnées par des seringues avec des moteurs linéaires programmables pour générer différentes morphologies de jet.

Le remplissage progressif de 256 à 286 mL a produit une réponse pression-volume quasi linéaire de 0 à 13,26 mmHg, avec une élastance globale de 0,44 ± 0,01 mmHg·mL⁻¹ (conformité de de 1,66 ± 0,02 mL·cmH₂O⁻¹), indiquant une rigidité reproductible et indépendante du volume sur toute la plage testée. L’échographie Doppler couleur et pulsé a ensuite été utilisée pour caractériser trois programmes de jets urétéraux physiologiquement motivés. Les jets biphasiques (cas sain) ont atteint des durées de 3,8 ± 0,3 s tout en reproduisant les pics programmés de 20 à 90 cm·s⁻¹ à 3 cm·s⁻¹ près (≤ 8 %). Les jets monophasiques (événements physiologiques plus rares) ont produit des durées de 3,3 ± 0,2 s avec des pics de 20 à 30 cm·s⁻¹ à moins de 9 % de la valeur cible, tandis que les jets pathologiques continus ont produit des plateaux de 4,9 ± 0.2 s à 10–25 cm·s⁻¹ avec une erreur de vitesse de 6 à 15 %. Ces valeurs et morphologies correspondaient étroitement aux données humaines publiées, confirmant que le simulateur peut reproduire les signatures ultrasonores normales et dysfonctionnelles.

La vélocimétrie par images de particules (PIV) planaire dans un milieu eau-glycérine a été utilisée pour étudier les champs de vitesse, de vorticité et de dissipation visqueuse d’énergie pour les trois mêmes morphologies de jet. Avec la forme biphasique, l’énergie cinétique et sa dissipation se concentrent en deux brèves impulsions de haute intensité, avec des vitesses de pointe de 38,60 cm·s⁻¹ et une dissipation locale d’environ 170 W·m⁻³, induisant une pénétration rapide du jet et un mélange vigoureux. Avec une forme transitoire (modérément biphasique), le cisaillement est redistribué sur une période plus longue de cisaillement élevé, avec des pics moins importants (30,61 cm·s⁻¹) et des tourbillons qui durent plus longtemps dans la vessie. La forme continue a produit la dissipation instantanée la plus faible, avec des maximas spatiaux d’environ 25 à 30 W·m⁻³, tout en maintenant un cisaillement modéré du jet pendant une plus grande partie de l’éjection, avec des vitesses ponctuelles d’environ 16,05 cm·s⁻¹ et une zone de recirculation lent le long des parois. Ces résultats démontrent que le simulateur proposé permet de relier des signatures échographiques cliniquement accessibles à la dynamique de l’écoulement intravésical et offre une plateforme modulaire pour de futures études.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 91-97).
Mots-clés libres:	simulateur de flux vésical, jets urétéraux, échographie, affections urinaires, vélocimétrie par image de particules (PIV)
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Di Labbio, Giuseppe
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Bhojani, Naeem
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	04 mars 2026 16:14
Dernière modification:	04 mars 2026 16:14
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3813

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