Validation of the first Turkish axial-flow left-ventricular assist device (LVAD) using particle image velocimetry (PIV)

Abstract

Heart Failure (HF) is a major cause of mortality in 21st century modern life. HF is the case when human cardiovascular system cannot satisfy body’s metabolic needs with enough pressure and flow. End Stage Chronic Heart Failure (ES-CHF) can only be treated by Heart Transplantation (HT), but due to insufficient number of available donor hearts, Mechanical Circulatory Support Systems (MCSS) have been used to support ES-CHF patients. Left-Ventricular Assist-Devices (LVAD) being one type of MCSSs, support Left Ventricle’s (LV) function by pumping blood from LV to aorta in one direction. Depending on the patient’s situation, LVADs can be implanted on patient’s body for different purposes. Mostly, LVADs are developed in a few 1st world countries and lack of local LVADs in Turkey results in high expanses for importing them. As a result, developing countries like Turkey should design its own LVAD and properly learn its management during R&D phase. So, a study was initiated to construct an innovative domestic LVAD in 2009. A virtual prototype was designed in SolidWorks CAD software and its hemodynamic and hemolysis characteristics were tested in Computational Fluid Dynamics (CFD). Then, physical prototype is constructed based on that design to validate the virtual results. Hemodynamics of the prototype including head pressure and hydraulic efficiency will be tested in actual laboratory environment over a Cardio Vascular Mock Circuit (CVMC). This thesis mainly focuses in flow field acquisition (hemocompatibility) over the physical prototype using Particle Image Velocimetry (PIV) method. In the design process of an LVAD, flow field acquisition is an important stage since it can inspect the presence of backflow, eddies, flow separation, and high shear stress which may cause hemolysis or stagnant and statis which may cause coagulation. Instantaneous flow field acquisition is also helpful to observe transition time and calculate the velocity vectors in different parts of physical prototype. PIV is a high speed photography-based flow visualization technique which is used to evaluate fluid velocity patterns at high spatial resolution. It’s a quantitative method who develops the velocity streamlines of the flow in every single point of flow by tracking suspended particles in fluid. What makes this study unique in its own kind is this project employs a 2-D PIV system to characterize the flow field inside a pump where both axial and tangential velocities exist throughout the pump. Whereas, most of similar studies in literature are using 3-D stereoscopic PIV systems which are much more expensive than 2-D PIV systems. Probe inside the pump requires transparent shroud to allow laser light access the floating particles and illuminate them and camera look into those particles. This desires the pump to be motor-less and make it dependent on an External Driving Mechanism (EDM).

Kalp yetmezliği 21inci yüzyılın modern yaşam tarzında yaygın bir ölüm nedenidir. Kalp yetmezliği insan kardiyovasküler sisteminin vücuda yeterli metabolik ihtiyaçları gereken akış ve basınçla karşılayamaması demektir. “Son Dönem Kronik Kalp Yetmezliği” yalnızca kalp nakliyle tedavi olabilir, fakat donör sayısının gerekenden daha az olması nedeniyle mekanik kan dolaşım sistemleri “Son Dönem” kalp hastalarını kurtarmak için kullanılmaktadır. Sol Ventrikül Destek Pompaları (SVDP) bir çeşit Mekanik Kan Dolaşım Sistemi olarak, Sol Ventrikülün fonksiyonunu ventrikülden aorta kan basmakla destekler. Hastanın durumuna bağlı olarak SVDPler hastaların kalbine farklı nedenlerle implant yapılır. Genelde SVDPler 1inci dünya ülkelerinde üretiliyor ve Türkiyede yerel SVDP olmadığı için ithal etmesi yüksek maliyetli olmaktadır. Sonuç olarak, Türkiye gibi gelişen ülkelerin kendi SVDPlerini tasarlaması ve üretimini ArGe aşamasında ögrenmesi önemlidir. Bu sebeplerle yerli bir SVDP üretme araştırmaları 2009da başladı. SolidWork’de sanal bir prototip tasarlanmış ve onun hemodinamik ve hemokompatibilite karakteristikleri Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğinde (HAD) test edilmiştir. Sonra sanal tasarımın sonuçlarını onaylamak için o tasarıma dayanarak fiziki bir prototip üretilmiştir. Protitipin Hemodinamik özelliklerini laboratuvarda bir Kardiyovasküler Mock Devresi üzerinde test edilicek. Bu tez fiziki prototipin üzerindeki akış alanını Parçacık Hızı Gorüntüleme metoduyla karakterize etmeyi amaçlamaktadır. SVDP tasarım sürecinde akış alanını karakterize etmek bir önemli adımdır, çünkü bu şekilde geri akım, girdap, akış ayrılımını gibi istenmeyen durumların olup olmadığı anlaşılmaktadır. Anlık akış alanı karakterize etmenin bir başka avantajı pompanın farklı bölgelerinki geçiş süresi ve hiz vektörlerinin hesaplanabilmesidir. PHG, akışkanın hız motiflerini yüksek uzaysal çözünürlükte değerlendirmek için kullanılan yüksek hızlı fotoğrafçılık tabanlı bir ölçüm metodudur. PHG akışkanın hız çizgilerini pompanın her bölgesindeki parçacıkları takip ederek bulan nicel bir metodtur. 4 Bu araştırmayı diğer araştırmalardan farklı kılan nokta, yüksek maliyetli olan 3 boyutlu stereoskopik PHG kullanmak yerine, düşük maliyetli iki boyutlu bir PHG sistemi ile üç boyutta ölçüm yapılmış olması ve bu yöntemle pompa içindeki eksenel ve teğet hız vektörlerinin bulunmasıdır. Pompanın iç kısmını araştırmak için dış kaplamasının şeffaf olmasını geremektedir ki ışık sıvıdaki parçacıkları aydınlatsın ve parçacıklar kamera tarafından görüntülensin. Bu sebeple de pompanın motorsuz olması ve bir dış tahrik mekanizması ile çalıştırılması gerekmektedir.