Optimization of the blood flow through a left ventricular assist device

Abstract

Kalp yetmezliği sıklıkla görülen ve her sene milyonlarca insanın ölümüne yol açan bir sağlık sorunudur. Teknoloji ve tıp bilimindeki ilerlemelerle birlikte, hasta bir kalbin mekanik bir sistem vasıtasıyla desteklenmesi fikri ortaya çıkmıştır.Bu tezin amacı, gerekli kan akışını kan hücrelerinde herhangi bir bozulmaya sebebiyet vermeden sağlayabilecek bir eksenel sol ventriküle destek cihazı tasarlamaktır. Bu amaçla, farklı eksenel kan pompaları tasarlanmış ve sayısal olarak incelenmiştir.İlk olarak, klinik ortamda sıklıkla tercih edilen eksenel kan pompalarından birisi olan MicroMed DeBakey sol ventriküle destek cihazı, çalışmanın geneli için referans model olarak seçilmiş ve incelenmiştir. İkinci adımda ise, bir optimizasyon çalışmasında parametrik dizayn yöntemi ile oluşturulmuş bir model incelendi. Üçüncü tasarım ise yay şeklindeki kanatlardan oluşturuldu. Dördüncü tasarımda ise, kanat boyunca doğrusal bir basınç artış miktarı amaçlandı. Kanatlar eksenel yönde eşit uzunluklara sahip on parçaya bölündü ve kanat kıvrımları Euler turbo makine denklemleri yardımıyla hesaplandı.Pompa modelleri hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile incelenerek her modeldeki basınç artışı ile kandaki bozulma miktarları karşılaştırıldı. Simülasyon sonuçlarında, dördüncü modelin MicroMed DeBakey modeline göre %38 oranında daha fazla basınç artışını, kandaki bozulma miktarını %6 düşürerek sağladığı görüldü.

Cardiac failure is a frequently seen health problem which causes millions of deaths every year. The idea of supporting a failed heart until the transplantation via a mechanical system has been established with the developments in technology and medical science.The aim of this thesis is to design an axial left ventricular assist device, which provides the necessary blood flux without damaging the blood cells. Thus, different axial blood pump models are designed and numerically investigated.The first investigated model is the MicroMed DeBakey left ventricular assist device, which is one of the mostly preferred axial blood pumps in the clinical setting and chosen as the baseline design for this study. At the second step, an optimization study model, which was generated by using the parametric design method, is investigated. Third design is generated with arc shaped blades. At the fourth design, a linear increase in pressure across the blades is aimed. The blades are divided into ten equal sections in axial direction and the blade camber is computed with the help of the Euler turbomachinery equations.Each pump model is investigated via the computational fluid dynamics. Pressure generation and blood damage rates are compared. The simulation results shows that the fourth model provides a %38 higher pressure rise with a %6 lower wall shear stress level than the MicroMed DeBakey LVAD.