YENİ BİR YÜKSEK HIZLI KALP DESTEK POMPASININ SAYISAL VE DENEYSEL ANALİZİ

Öz

Sol ventriküler destek cihazları kalp yetmezliğine sahip hastalarda kullanılmaktadır. Rotodinamik kan pompalarının santrifüj, eksenel ve karışık akışlı olmak üzere üç tipi vardır. Eksenel akışlı kan pompaları yüksek hızlı fakat küçük çaplı pompalardır.

Bu çalışmada, tasarlanan karışık akışlı (yarı eksenel) bir kan pompasının Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımıyla pompa karakteristiklerinin belirlenmesi ve bu karakteristiklerin deneysel olarak doğrulaması yapıldı. Pompanın tasarım noktası için 10000 dev/dak dönme hızı, 5 L/dak debi ve 100 mm-Hg basınç farkı değerleri seçildi. Pompa çarkı ve difüzörünün tasarımında pompa tasarım ve katı modelleme programları kullanıldı. Belirtilen tasarım verilerine göre katı modeli oluşturulan pompanın ANSYS Fluent programı ile simülasyonu yapıldı ve ilk tasarım değerlerinin sağlaması yapıldı. Debiye bağlı olarak basınç farkı, tork, cidar kayma gerilmesi ve hidrolik verim HAD yoluyla hesaplandı. Ayrıca bu çalışmada pompa çarkını tahrik eden milin, emme hattında ve basma hattında olduğu durumlar için ayrı ayrı HAD yazılımı ile pompa performansı belirlendi. HAD ile optimizasyon çalışmalarından sonra çarkın ve difüzörün nihai katı modelleri oluşturuldu. Bu iki elemanın prototipi, lazer sinterleme teknolojisi ile üretildi. Pompa gövdesi alüminyum malzemeden CNC dik işlem merkezinde imal edildi. Prototip pompanın deneysel performansı, tasarım ve tasarım basınç farkını sağlayan dönme hızında, su ve hacimce %40 gliserin- %60 su kullanılarak belirlendi. Su için HAD ve deney sonuçları kullanılarak debi-basınç farkı eğrileri oluşturuldu ve tasarım noktasında başlangıç tasarım değerinden 8 torr eksik basınç verdiği belirlendi. HAD sonuçlarına göre; pompa çarkını tahrik eden milin emme hattında veya basma hattında olmasının basınç farkına ve akış çizgilerine etkisi olmadığı görüldü.

Anahtar Kelimeler

• HAD,Kalp pompası,Karışık akışlı pompa,Sol ventriküler destek cihazı

Numerical and Experimantal Analysis of A New High-Speed Heart Assist Pump

Abstract

Left Ventricular assist devices are used in patients with heart failure. There are three types of rotodynamic blood pumps: centrifugal, axial and mixed flow. Axial flow blood pumps have high speed but they have small diameter pumps.

In this study, Pump characteristics were determined with the Computational Fluid Dynamics (CFD) software of a designed mixed-flow (semi-axial) blood pump and pump characteristics were experimentally verified. For the design point of the pump, 10000 rpm rotation speed, 5 L/min flow rate and 100 mm-Hg pressure difference values were selected. Pump design and solid modeling programs were used in the design of the pump impeller and diffuser. The pump having a solid model according to design data specified was analyzed with the ANSYS Fluent and verification of the initial design values was made. Depending on the flow rate, the pressure difference, torque, wall shear stress and yield were calculated by CFD. In addition, the pump performance was determined by CFD software separately for the case where the pump is driven by the shaft, the suction line and the discharge line. After optimization study with CFD, the final solid models of the impeller and the diffuser were generated. The prototypes of these two elements were produced by laser sintering technology. The pump casing was made from aluminum material at the CNC vertical machining center. The experimental performance of the prototype pump was determined by water and volume of 40% glycerin-60% water at the rotational speed providing design and design pressure difference. Flow-pressure difference curves were constituted using CFD and experimental outputs for water. It has been determined that the initial design value of the design point is less than 8 torr. According to CFD outputs; the presence of the shaft that drives the pump impeller on the suction line or the discharge line has no effect on the pressure difference and the flow line.

Keywords

• CFD,Heart pump,Mixed flow pumps,Left ventricular assist device (LVAD)

Kaynakça

1. Arvand, A., Hahn, N., Hormes, M., Akdis, M., Martin, M., Reul, H., 2004, "Comparison of Hydraulic and Hemolytic Properties of Different Impeller Designs of an Implantable Rotary Blood Pump by Computational Fluid Dynamics", Artificial Organs, Vol. 28 (10), pp. 892-898.
2. Behbahani, M., Behr, M., Hormes, M., Steinseifer, U., Arora, D., Coronado, O., Pasquali, M., 2009, "A Review of Computational Fluid Dynamics Analysis of Blood Pumps", European Journal of Applied Mathematics, Vol. 20 (04), pp. 363-397.
3. Burke, D. J., Burke, E., Parsaie, F., Poirier, V., Butler, K., Thomas, D., Taylor, L., Maher, T., 2001, "The HeartMate II: Design and Development of a Fully Sealed Axial Flow Left Ventricular Assist System", Artificial Organs, Vol. 25 (5), pp. 380-385.
4. Chopski, S. G., Fox, C. S., Riddle, M. L., McKenna, K. L., Patel, J. P., Rozolis, J. T., Throckmorton, A. L., 2016, "Pressure–Flow Experimental Performance of New Intravascular Blood Pump Designs for Fontan Patients", Artificial Organs, Vol. 40 (3), pp. 233-242.
5. Chua, L. P., Su, B., 2011, "Numerical Study on The Impeller of an Axial Flow Blood Pump", 2011 4th International Conference on Biomedical Engineering and Informatics (BMEI), 1153-1156.
6. Demir, O., Biyikli, E., Lazoglu, I., Kucukaksu, S., 2011, "Design of a Centrifugal Blood Pump: Heart Turcica Centrifugal", Artificial Organs, Vol. 35 (7), pp. 720-725.
7. Fluent, A., 2009, 12.0 Theory Guide, Ansys Inc, 5.
8. Gaddum, N. R., Fraser, J. F., Timms, D. L., 2012, "Increasing the Transmitted Flow Pulse in a Rotary Left Ventricular Assist Device", Artificial Organs, Vol. 36 (10), pp. 859-867.

9. Gardiner, J. M., Wu, J., Noh, M. D., Antaki, J. F., Snyder, T. A., Paden, D. B., Paden, B. E., 2007, "Thermal Analysis of the PediaFlow Pediatric Ventricular Assist Device", ASAIO Journal, Vol. 53 (1), pp. 65-73.
10. Hsu, P.-L., Graefe, R., Boehning, F., Wu, C., Parker, J., Autschbach, R., Schmitz-Rode, T., Steinseifer, U., 2014, "Hydraulic and Hemodynamic Performance of a Minimally İnvasive İntra-Arterial Right Ventricular Assist Device", The International Journal of Artificial Organs, Vol. 37 (9), pp. 697-705.
11. Aka, İ.B., Dadgar, S., Sezer, M.E., Kadıpaşaoğlu, A.K., "Bir Eksenel Akışlı Sol Ventrikül Destek Pompasının (SVDP) Fiziki Performans Testleri İçin Platform Tasarımı" , 14. Tıp Teknolojileri Ulusal Kongresi, Kapadokya, Nevşehir, 25-27 Eylül 2014.
12. Kim, S. H., Hashi, S., Ishiyama, K., 2012, "Actuation of Novel Blood Pump by Direct Application of Rotating Magnetic Field", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 48 (5), pp. 1869-1874.
13. Leme, J., da Silva, C., Fonseca, J., da Silva, B. U., Uebelhart, B., Biscegli, J. F., Andrade, A., 2013, "Centrifugal Blood Pump for Temporary Ventricular Assist Devices With Low Priming and Ceramic Bearings", Artificial Organs, Vol. 37 (11), pp. 942-945.
14. Lu, P., Lai, H. ve Liu, J., 2001, A Reevaluation and Discussion on The Threshold Limit for Hemolysis in a Turbulent Shear Flow, Journal of Biomechanics, Vol. 34 (10), pp. 1361-1364.
15. Masuzawa, T., Ohta, A., Tanaka, N., Qian, Y., Tsukiya, T., 2009, "Estimation of Changes in Dynamic Hydraulic Force in a Magnetically Suspended Centrifugal Blood Pump with Transient Computational Fluid Dynamics Analysis", Journal of Artificial Organs, Vol. 12 (3), pp. 150-159.
16. Eğrican, N., Küçükaksu S., Akgün M., Lazoğlu İ., Cıblak N., An E., Sorgüven E., Şafark K., Okyar F., Uçak C., Şehirlioğlu M., 2010, Minyatür Bir Yapay Kalp Pompa Sisteminin Tasarımı, Analizi ve Prototip Üretimi, Tübitak Projesi, Proje No:106M309, İstanbul
17. Reul, H. M., Akdis, M., 2000, "Blood Pumps for Circulatory Support, Perfusion, Vol. 15 (4), pp. 295-311.
18. Taneri, D. B., 2014, "Acil Serviste Acil Tıp Hekimlerinin Organ Bağışı Sürecinde Yönetim, Duyarlılık ve Farkındalıkları", Başkent Üniversitesi Tıp Fakültesi Acil Tıp Anabilim Dalı, Ankara, 20-25.
19. Untaroiu, A., Wood, H. G., Allaire, P. E., Throckmorton, A. L., Day, S., Patel, S. M., Ellman, P., Tribble, C., Olsen, D. B., 2005, "Computational Design and Experimental Testing of a Novel Axial Flow LVAD, ASAIO Journal, Vol. 51 (6), pp. 702-710.
20. Wood, H. G., Throckmorton, A. L., Untaroiu, A., Song, X., 2005, "The Medical Physics of Ventricular Assist Devices, Reports on Progress in Physics, Vol. 68 (3), pp. 545-576.
21. Yen, J. H., Chen, S. F., Chern, M. K., Lu, P. C., 2014, "The Effect of Turbulent Viscous Shear Stress on Red Blood Cell Hemolysis, The Japanese Society for Artificial Organs, Vol. 17 (2), pp.178-185.
22. Zhang, Y., Xue, S., Gui, X.-m., Sun, H.-s., Zhang, H., Zhu, X.-d., Hu, S.-S., 2007, "A Novel Integrated Rotor of Axial Blood Flow Pump Designed With Computational Fluid Dynamics", Artificial Organs, Vol. 31 (7), pp. 580-585.