Design of a left ventricular assist device: heart Turcica Centrifugal

Abstract

Sol karıncık destek aygıtları (SKDA), dünyada ve Türkiye' de bir numaralı ölüm nedeni olan kalp hastalıklarına karşı mücadelede önemli bir yere sahiptir. Bu bağlamda, bu proje kapsamında içinde sürekli sentrifüj pompa (SSP) barındıran Heart Turcica Centrifugal (HTC)' nin geliştirilmesi çalışması yapılmıştır. Bu tipte bir aygıtın geliştirilmesinde tasarım aşaması mekanik ve medikal zorluklar nedeniyle oldukça zordur. Örnek olarak küçük boyutlarda bir pompa ile yüksek performans elde edilmesi, biyouyumluluğun sağlanması, yüksek verimlilik ihtiyacı verilebilir. Bu zorlukları aşmak için, pompa içindeki akışın yeterince düzgün olması gerekmektedir. Pompa içindeki akış ise esas olarak pompa geometrisi tarafından belirlenmektedir. Pompa geometrisinin oluşturulabilmesi içinse, geometric dizayn parametrelerine doğru değerlerin atanması esastır. Bunu yaparken, bir boyutlu (1-D) tasarım prosedürü, hesaplamalı akışkanlar mekaniği (HAM) ve deneme-yanılma tasarım araçları incelenmiş ve yeterlilikleri test edilmiştir. İnceleme aşamasında, bilgisayar destekli tasarım, üretim ve analiz (BDT/BDÜ/BDA) araçlarından yararlanılmıştır. İncelemeler sonucunda, 1-D tasarım prosedürü, SKDA' nın çalışma koşullarını kapsamadığı için tasarım aşamasında yetersiz bulunmuştur. HAM ise bazı tasarımların deneysel sonuçlarını doğru tahmin edemediğinden ötürü tasarım aşamasını geometrik dizayn parametrelerinin değerlerinin belirlenmesi hususunda destekleyemediği sonucuna ulaşılmıştır. Diğer iki tasarımda kullanılan araca karşın, literatürdeki önceki çalışmalardan yararlanmış deneme-yanılma yöntemi ile başarılı bir tasarım gerçekleştirilmiştir. Bunun için iki pompa üretilmiş, 40 mm çaptaki ikinci pompada 5 L/dk ve 100 mm-Hg performans noktası 3000 rpm' de yakalanmıştır. Bu pompanın içerisindeki detaylı akış ise HAM aracının bu pompa için önce doğrulanıp sonra kullanılabilmesiyle gerçekleştirilmiştir. Sonucunda, pompada herhangi bir hemoliz veya trombojen oluşumuna yol açacak risk görülmemiştir. Böylece, önerilen tasarım metodolojisi başarıyla uygulanmış ve tatmin edici sonuçlar alınmıştır.

Left ventricular assist devices (LVADs) are highly demanded in fighting against cardiovascular diseases which are statistically number one cause of death. In this respect, Heart Turcica Centrifugal (HTC) that is composed of a continuous centrifugal blood pump (CBP) is purposed to be developed. In development of such a device, design phase is highly challenging due to both mechanical and medical constraints such as need of small-size, high efficiency, biocompatibility. In order to satisfy the entailed design features, a regular flow within the pump is inevitable. Since the flow behavior is mainly governed by the geometry of the pump, the design tools utilized in determining the values of geometric design parameters were investigated. Design tools included One-dimensional (1-D) design procedure, Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses, and trial and error method. In the investigation design tools, Computer Aided Design, Engineering, and Manufacturing (CAD/CAE/CAM) tools were utilized. 1-D design procedure was found to be unable to provide assistance to design since operating conditions of CBPs fall out of the valid range of the theory. CFD analyses were found to be incapable to assist the design by means of determining the values of geometric design parameters because the tool couldn?t predict the experimentally measured hydraulic performance of many designs. In contrast, trial and error method initiated with an inspiration from the findings of previous studies was quite successful in designing a CBP. An initial pump, Model 3, was manufactured with values of geometric design parameters adjusted with respect to the previous findings in literature. With respect to the experimental results of Model 3, Model 4 was manufactured with change of control parameter, impeller outer diameter, in accordance with the affinity laws. Model 4 achieved required operating conditions (5 L/min flow rate against a pressure difference of 100 mm-Hg) at a rotational speed of 3000 rpm. Further flow analyses of the pump were conducted with CFD analyses after validating the tool with successful prediction of experimentally measured hydraulic performance. Analyses of shear stress and velocity vectors pointed no risks of hemolysis or thrombogenicity. The proposed design methodology was, thus, successfully applied and yielded satisfactory results.