Computational fluid dynamic analysis of axial-flow left-ventricular assist device

Abstract

Dünya çapında en ölümcül hastalıklardan biri olan kalp yetmezliğinin son aşaması ancak organ nakli ile tedavi edilebilinir. Nakil için uygun organın eksikliği gibi durumlarda, ventrikül destek cihazları hastanın yaşamsal fonksiyonlarının idamesi için kullanılır. Bu cihazlar Türkiye’de üretilmemektedir ve bu eksiklik ithalat masrafından dolayı ekonomi üstüne ağır yükler doğurmaktadır. Ayrıca cihaz eksikliğinden dolayı üniversitelerde ve kliniklerde alan üstüne çalışmalar yapılamamakta, bu yüzden de ameliyatlarda ve cihazın sonraki kullanımlarında çok başarı sağlanamamaktadır. Bu yüzden Bahçeşehir Üniversitesinden bir grup araştırmacı, yerli sol-ventrikül destek cihazı tasarımı ve üretimi için bir program başlatmıştır. Bu proje öncül hesaplamalar doğrultusunda 3B başlangıç tasarımı, tasarımın hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi ile test edimesi ve 3B tasarımın en-iyileştirilerek bütün dizayn gerekliliklerini yerine getiren nihai prototipin elde edilmesi aşamalarını kapsamaktadır. İlk olarak, cihaz gereksinimleri, hidrolik performans ve kan-uyumluluğu (hemoliz ve pıhtılaşma) olmak üzere belirlenmiştir. Daha sonra implantasyon için boyut kıstasları ve turbomakinalar üzerine yapılmış öncül hesapamalar göz önüne alınarak 3B başlangıç tasarımı Solidworks CAD yazılımı ile yapılmış ve ANSYS Fluent CFD yazılımı ile de hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi gerçekleştirilmiştir. Cihazın hidrolik performansı basma basıncı-debi ve hidrolik verim karakteristiği ile gözlemlenmiş, hemoliz etkisi ise kayma gerilimi, kan parçacığı geçiş süresi, vorteks ve geri akım bölgeleri ile tahmin edilmeye çalışılmıştır. Pıhtılaşma ise akışın durağanlaştığı bölgeler gözlemlenerek tahmin edilmeye çalışılmıştır. Daha sonra, HAD sonuçları doğrultusunda dizayn gereksinimlerinden sapmayı azaltacak şekilde tekrarlamalı 3B tasarım pompanın geometrik parametreleri değiştirilerek yapılmış ve tekrardan HAD yöntemleri ile sınanmıştır. Bu tekrarlamalı tasarım ve HAD testleri, tüm hidrolik ve kan-uyumluluğu gerekliliklerini yerine getiren nihai prototip elde edilene kadar devam etmiştir. Proje sonunda, sol-ventrikül destek cihazı geliştirme programının sonraki aşamalarını oluşturan fiziki testlerde (Mock Circuit ve Görüntülü Parçacık Hız Analizi ) kullanılmak üzere 2 farklı nihai prototip elde edilmiştir.

Heart failure (HF) is the most mortal disease all over the world and last stage HF only can be recovered with heart transplantation. In case of lack of available donor, ventricular assist devices (VADs) were used to keep last stage HF patients alive, especially by supporting left ventricle. These devices aren’t produced by Turkey and absence of VADs results as high economic load because of importing cost. Moreover, lack of products limits academic and clinical studies on field and restricts success in implantation and post-implantation device support. So, researcher group in Bahcesehir University started program to produce left-ventricular assist device (LVAD) and this project contains initial 3D design depending on preliminary calculations, computational fluid dynamic (CFD) analysis and optimization of geometry to reach final prototype that satisfies all design criteria. Firstly, requirements of LVAD were determined as hemodynamic and hemocompatibility (hemolysis and coagulation) criteria. Then, initial 3D design was constructed via SolidWorks CAD software according to size restrictions for implantation i.e. anatomic constraints and tested via ANSYS Fluent commercial CFD package. Hemodynamic performance was studied by observing head pressure-flow and hydraulic efficiency characteristic and effects on hemolysis were estimated by studying shear stress, transition time, backflow and vortex zones. Then, possible coagulation was studied by observing stagnant flow regions. Then, 3D virtual geometry was re-designed by changing pump geometric parameters by deeply considering CFD results to reduce deviation from design criteria. CFD analysis were performed on new design and this re-design and analyzing process were iteratively continued until reaching final prototype which satisfies all hemodynamic and hemocompatibility criteria. At the end of project, 2 different prototypes were developed to use them in physical tests (Mock Circuit and Particle Image Velocimetry) i.e. in-vivo and in-vitro testing as next steps of LVAD development program.