Flow Dynamics and Thrombus Formation in Extracorporeal Membrane Oxygenation
A Combined Computational and Experimental Study
Tid: To 2025-10-30 kl 10.00
Plats: F3, Lindstedtsvägen 26
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk mekanik
Respondent: Frida Nilsson , Strömningsmekanik
Opponent: Professor Franck Nicoud, IMAG, University of Montpellier;IUF, Paris
Handledare: Professor Lisa Prahl Wittberg, Strömningsmekanik, FLOW, Department of Engineering Mechanics, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden; Docent Lars Mikael Broman, ECMO Centre Karolinska, Astrid Lindgren’s Children’s Hospital, Karolinska University Hospital, Stockholm, Sweden;Department of Physiology and Pharmacology, Karolinska Institute, Stockholm, Sweden; Professor Daniel Söderberg,
QC 251015
Abstract
Vid kraftigt nedsatt hjärt- och/eller lungfunktion kan extracorporal membranoxygenering (ECMO) användas i väntan på att organen återhämtar sig eller tills dess att transplantation kan utföras. I ECMO dras blodet ut genom en venös dränagekanyl med hjälp av en pump som sedan trycker blodet genom en membranlunga för gasutbyte. Därefter återförs det syresatta blodet till patienten via en returkanyl. På vägen genom systemet passerar blodet också slangar och ett flertal konnektorer. Dessa komponenter utsätter blodet för höga skjuvkrafter, kraftigt instabila flöden, artificiella ytskikt och risk för att blodkomponenter fastnar i flödesstrukturerna under en längre tid vilket kan leda till både hemolys, blödning och trombos.
Det här arbetet utvärderar flödesstrukturer och skjuvkrafter som uppstår i ECMO systemets komponenter och kopplar dem till mekanismer för skador på blodets beståndsdelar. Arbetet ger också förslag på en metod för att utvärdera trombers morfologi och komposition med svepelektronmikroskopi och småvinkelspridning av röntgenstrålar (small angle X-ray scattering) och kopplar det till det lokala flödesfältet. Genom att använda large eddy simulations (LES) och Reynolds averaged Navier Stokes (RANS) modellering kunde olika flödesfenomen utvärderas med kliniskt relevanta testvillkor och jämföras med experimentella observationer. Resultaten visade att storlek och intensitet hos recirkulationszoner och andra flödesstrukturer var beroende av testvillkoren, där kraftigare inloppsrecirkulation och större roterande flödesceller blockerade flödet. Detta var särskilt tydligt vid lägre inloppsflöden i DP3-pumpen. Den lätta impellern hos DP3-pumpen konstaterades wobbla, något som kan ge upphov till både hemolys och utfällning av mikroplaster. Hålrum och utbuktande delar påvisades ge upphov till flödesstagnation, skjuvlager och recirkulationsvolymer vilka växte med ökad flödeshastighet. Genom att undersöka skjuvhastigheter kunde regioner med elongerande skjuvegenskaper konstateras i pumpinloppet, bladvakerna och pumputloppet. I dessa regioner är risken större för att von Willebrandfaktorn (vWf) ska rullas ut och aktivera blodplättarna runt sig vilket följaktligen kan leda till trombos.
Sammanfattningsvis visar resultaten att testvillkor och komponentdesign hos ECMO-komponenter kraftigt påverkar skapandet av flödesvillkor, vilka kan skada och aktivera blodkomponenter. Genom att koppla flödesstrukturer till trombmorfologin och mekanismer som är kända för att skada blodkomponenter skapas i detta arbetet en grund för bättre trombosmodeller, tydligare kliniska riktlinjer och hjälp för framtida komponentdesign.