Computational modelling of blood flow in medical assist devices

QC 230503

Abstract

Extrakorporeal membranoxygenering (ECMO) är en livräddande stödbehandling vid lung- och/eller hjärtsvikt. En artificiell extrakorporeal krets används för att stödja hjärt-lungfunktion. Patientblod dräneras via en dräneringskanyl, pumpas med en centrifugalpump genom membranlunga (gasväxlare) för syresättning och koldioxidclearance, för att sedan återföras till patienten via en returkanyl. Slangar och konnektorer sammankopplar kretsen. Användning av ECMO kan leda till tromboemboliska och hemolytiska komplikationer relaterade till mekaniska skjuvkrafter som uppstår när blodet strömmar genom ECMO-systemetskomponenter. Numeriska simuleringar av några av de pumpar och kanyler som används vid ECMO utfördes för att undersöka flödesstrukturer som skapas i systemkomponenter och deras relation till blodtrauma skattat som Plateletactivation state (PAS) och Haemolysis index (HI). Simuleringar av två centrifugalpumpar utfördes både inom och utanför rekommenderade flödesvolymer kompatibla med vuxen och neonatal ECMO användning. Resultaten visade att låg flödeshastighet off-design kan vara skadlig på grund av en ökad uppehållstid (residence time) för partiklarna i undersökt område. Detta gällde både passiva och tröghetsberoende partiklar som utsätts för lift och drag. Neonatalpumpen visade en motströms flödesstruktur i form av virvel utefter pumpinloppets väg över hela rekommenderade flödesområdet. Simulering av en dränkanyl med sidohål genomfördes för att bedöma dränegenskaper vid olika hematokritvärden och flödeshastigheter. Resultaten indikerade att flödesmönster dominerades av en struktur “jet in crossflow”. De mest proximala hålen dränerade mest vätska i alla studerade fall inklusive hematokritfraktioner. Effekterna av blodets icke-Newtonska egenskaper var inte avgörande inom testområdet vilket möjliggjorde användande av Reynolds-tal för att koppla vatten och blodresultat. En returkanyl undersöktes både i centrerad och vinklad position i kärlet. En karakteristisk “confined jet”konfiguration sågs, med ett returflöde somutvecklades vid kärlväggen. Detta orsakade ökad residence time. I vinkladposition noterades en grupp små virvelstrukturer vid hålen nära kärlväggen vilka funktionellt betedde sig som hinder för blodflödet i kärlet men skapade också mera shear stress och förlängd residence time. Lokalt ökad hemolys avröda blodkroppar sågs, vilket dock inte var relevant i ett globalt perspektivp å grund av det lågt fraktionellt flödet vid sidohålen. Användningen av olika viskositetsmodeller gav små variationer i resultaten, vilka blev obetydliga med den osäkerhet som introducerades av användningen olika modellkoefficienter vid beräkning av hemolysindex.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-326501