Numerical investigation of hemodynamics in the artificial artery-aorta anastomosis and the inflow cannula in ventricular assist systems to prevent complications

Abstract

Kalp damar hastalıkları özellikle orta-ileri yaş gruplarında en sık rastlanan ölüm sebebidir. Kalp yetmezliği ise bu ölümlerin büyük bir kısmını oluşturur. Klinik uygulamada başarı oranı giderek artan ventriüler destek sistemleri kalp yetmezliği tedavisinde kullanılmaktadır. Kalp pompası optimize edilmiş sistemlerde bile hastalar, giriş kanülü etrafında ya da pompa çıkışının aortaya bağlandığı bölgede oluşan komplikasyonlar sebebiyle kaybedilebilmektedir. Kalp pompası yüksek devirlerde çalıştığından, kan hücreleri hızla ve parçalanmadan pompadan geçmekte, ancak sol ventrikülden pompa giriş kanülüne doğru akış hızı yavaşlayıp, ters akış bölgeleri oluştuğundan hemoliz ve pıhtı oluşumu gözlenebilmektedir. Benzer bir şekilde pompa çıkışındaki yapay damar ile aorta anastomozu bölgesinde hemodinamik yapının değişmesi kan hücrelerinin yıkımına ve damar iç yüzeyinin yıpranmasına yol açmaktadır. Bu çalışmada, pahalı ve zor bir tedavi yöntemi olan ventriküler destek sistemlerinin uygulamalarında karşılaşılan komplikasyonları azaltmak ve başarı oranını artırmak için kalp pompası giriş kanülü ve yapay damar ? aorta anastomoz bölgeleri sayısal olarak incelendi. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği metodu kullanılarak yapılan simulasyonlarda gerçeğe uygun sol karıncık ve aort geometrileri ve gerçeğe uygun ve sınır koşulları kullanıldı. HAD metodu simulasyon sonuçları, anastomoz baplantısının ve kanül geometrisinin kan akışına etkilerini göstermekte ve incelenen bölgelerde hemodinamik değişim bilgisi vermektedir.

Cardiovascular diseases are the most frequent cause of fatality among older populations. Congestive heart failure makes up a considerably large portion of cardiovascular diseases. Ventricular assist devices, which have an increasing success rate in clinical applications, are used to solve these problems. But even with optimized heart pumps fatal complications can occur because of the deformations around the inflow cannula or through the artificial artery ? aorta anastomosis. Due to high rotational speeds of heart pumps, blood cells pass through the pump rapidly and usually without undergoing any deformation. As blood cells flow from the left ventricle into the inflow cannula, flow velocity decreases and reverse flow zones occur, both of which may lead to hemolysis and thrombosis. Similarly, the change in the hemodynamics through the artificial artery ? aorta anastomosis causes deformation of blood cells and endothelium. To investigate the inflow cannula of heart pumps and the artificial artery ? aorta anastomosis and possible clinical consequences, in order to decrease complications and increase the success rate of ventricular assist devices, which is a very difficult and expensive therapy option, computational fluid dynamics analysis were performed using patient-specific geometrical models and boundary conditions. The simulations indicate that the positions of the anastomosis and the cannula have important effects on flow. CFD results provide insight on the altered hemodynamics in the aforementioned regions.