Design of a platform for physical performance testing of an axial-flow left-ventricular assist device

Abstract

Heart disease is the most frequent cause of death in developed countries. Heart Failure occurs when the heart provides insufficient blood pressure/flow for the metabolic need of the body. Due to the shortage of available donor hearts, left ventricular assist devices (LVADs) have been used to support last stage HF patients as a bridge to transplant or as destination therapy. LVADS have been produced in a few countries and the absence of domestic LVADs results in high importing costs for Türkiye. Further, scant acquisition of these devices limits academic and clinical research and restricts success in implantation and post-implantation device upkeep. Therefore, a program to produce an innovative domestic LVAD has been initiated by a researcher group in Bahçeşehir University. Virtual design of a prototype is completed via computational fluid dynamic (CFD) optimizations. Physical testing of the prototype is required for validating the virtual results. In-vitro tests of the LVAD prototype will be conducted over a Cardiovascular Mock Circuit (CVMC), which mimics the physiology (pressure and flow characteristics) of the human cardiovascular system. Particle Image Velocimetry (PIV) will be employed for observing transition time, backflow and vortex zones. Inquiry into the inner flow passages of the device using PIV requires access of light through the opaque outer shroud which, therefore, should be constructed from transparent material. This imposes the requirement that the device be motor-less, hence an external driver mechanism be used. The design and construction of this mechanism constitutes the main objective of the present work. 3D design of the setup (called External Drive Mechanism- EDM- throughout this work), contains a DC motor, a torque sensor, a YT connector and a transparent shroud, all aligned along a straight rigid shaft. The setup is drawn and assembled via SolidWorks CAD software. Possible interruptive effects of EDM components (bearing, gaps and shaft) in LVAD flow line are evaluated by ANSYS Fluent commercial CFD package, considering head pressure, hydraulic efficiency, backflow and hemolysis characteristics. The bearing system of the EDM is designed considering hemodynamic and hemocompatibility criteria. After estimating minimum shaft diameter and motor power rating are calculated by conventional equations considering CFD data. External shaft is made of 3mm high strength Tungsten Carbide. YT-connector is the part where horizontal branch includes the shaft with plastic seal and oblique branch stands as inlet cannula. The transparent shroud is designed and manufactured from poly-acrylic resin using Mold Casting. Main LVAD components (inducer, rotor and diffuser) are produced from Ti-Al6-V4 by Laser Sintering, in order to obtain realistic physical characteristics (inertia, surface finish). A dynamic load torque sensor with speed encoder is selected per CFD results (torque, shaft speed). CVMC, PIV accessories (LED, high-speed camera, synchronizer) and EDM are integrated and operated simultaneously via dSpace1103 data acquisition board. EDM functions under desired physical coditions. Initial CVMC and PIV testings are achieved. EDM is capable of working up to 10krpms impeller speed, 180 mmHg head pressure and 9lt/min flow rate. Along with EDM design, an innovative concept of blood-immersed bearing system is virtually designed and tested in ANSYS Fluent. This geometry is named bearing washing channels. Channels are placed inside stationary inducer and diffuser to provide contious washing of bearings to avoid thrombosis formation. No stasis is obeserved and minor decrease in pump geometry is estimated.

Kalp Hastalıkları gelişmiş ülkelerdeki başlıca ölüm sebebidir. Kalp Yetmezliği vücudun ihtiyaç duyduğu kan akışı ve basıncının kalp tarafından karşılanamaması sonucu oluşur. Mevcut donör organların yetersiz sayıda olmasından dolayı, son dönem kalp yetmezliği hastalarının tedavisinde Sol Ventrikül Destek Pompaları(SVDP) transplant yapılana kadar hastayı yaşatmak için kullanılmaktadır. SVDP’ler sadece birkaç gelişmiş ülkede üretilebilmekte ve ithalatı ülkemiz için büyük mali yük teşkil etmektedir. Ayrıca, az sayıda edinilen cihazlar akademik ve klinik araştırmaları sınırlamakta ve implantasyon ve implantasyon sonrası başarıyı azaltmaktadır. Bu nedenle, 2009 yılında Bahçeşehir Üniversitesinde bir grup araştırmacı tarafından yenilikçi bir yerli SVDP üretimi programı başlatılmıştır. Prototipin sanal tasarımı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) optimizasyonlarıyla tamamlanmıştır. Sanal sonuçların doğrulanması için fiziksel bir prototip üretilmesi zorunludur. Fiziki performans testleri Hemodinamik Simülasyon Mekanizması(HSM) ve Parçacık Hızı Görüntüleme (PHG) teknikleri kullanılarak yapılacaktır. PHG tekniği kullanılarak akış zamanı, muhtemel geri akış ve girdap bölgeleri incelenecektir. PHG ile prototipinde iç akış bölgelerinin incelenmesi için opak dış yüzeyden ışığın geçebilmesi gereklidir. Bu nedenle dış yatak üretiminde saydam malzeme tercih edilmelidir. Bu gereklilik cihazın motorsuz olmasına sebep olmuş ve bir Dış Tahrik Mekanizması (DTM) ile sürülmesi zorunlu olmuştur. DTM in tasarımı ve üretimi bu çalışmanın ana konusudur. DTM in 3B tasarımı SolidWorks CAD yazılımı ile çizilmiş ve imal edilmiştir. DTM elemanlarının(rulman, boşluk ve mil) SVDP akış yolundaki muhtemel engelleyici etkileri ANSYS Fluent HAD yazılımı kullanılarak incelenmiş, incelemelerde çıkış basıncı, hidromekanik verimlilik, geriakış ve hemoliz karakteristikleri göz önünde bulundurulmuştur. DTM’in rulman sistemi hemodinamik ve hemokompatibilite kriterlerine göre tasarlanmıştır. Minimum mil çapı ve motor gücü gereksinimleri HAD verileri kullanılarak standart denklemlere göre hesaplanmıştır. Harici mil 3mm Tungsten Karbür malzemeden üretilmiştir. YT-Bağlantı parçasının radyal dalı sızdırmaz keçe ile harici mili bulundurmakta ve eğimli dalı giriş kanülü olarak kullanılmaktadır. Transparan dış yatak poliüretan malzemeden tasarlanmış ve kalıp-döküm tekniği ile üretilmiştir. SVDP ana komponentleri (inducer, rotor, diffuser) Ti-Al6-V4 malzemeden Lazer Sinterleme ile üretilmiş, bu sayede gerçekçi fiziksel özellikler (inertia, surface finish) elde edilmiştir. HAD verileri (torque, shaft speed) göz önünde bulundurularak 4 dinamik tork ve hız sensörü seçilmiştir. HSM, PIV komponentleri (LED, high-speed camera, synchronizer) ve DTM dSpace1103 veri toplama donanımı kullanılarak entegre edilmiş ve sürülmüştür. DTM istenilen fiziksel koşullarda çalışmaktadır. Öncül PHG ve HSM testleri yapılmıştır. DTM 10 bin devir pervane hızına, 180 mmHg basma yüksekliğine ve 9lt/dk debiye kadar test edilmiştir. DTM ile beraber yenilikçi bir kan ile rulman yıkama methodu sanal olarak tasarlanmış ve ANSYS Fluent üzerinde test edilmiştir. Bu tasarıma rulman yıkama kanalı adı verilmiştir. Kanallar durgun indüktör ve difüzör parçalarına açılarak rulmanların sürekli olarak yıkanması ve pıhtı oluşumunun engellenmesi amaçlanmıştır. HAD sonuçlarında durgun bölge gözlenmemiş ve pompa performansı ciddi derecede etkilenmemiştir.