Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5466
Main Title: A two-stage rotary blood pump design to reduce blood trauma
Translated Title: Ein zweistufiges Blutpumpen-Design zur Reduktion von Blutschädigung
Author(s): Thamsen, Bente Kristina
Advisor(s): Affeld, Klaus
Referee(s): Paschereit, Christian Oliver
Affeld, Klaus
Kaufmann, Tim Arne Simon
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Currently used ventricular assist devices (VADs) are implantable miniature centrifugal pumps, referred to as rotary blood pumps. Survival rates with these devices increased substantially during the last decades. Nevertheless, despite extensive research and new technologies the clinical benefit of such systems is still limited due to a high incidence of severe adverse events. Frequent serious complications observed in VAD patients are strokes, infections, pump thrombosis, and bleeding. A major part of the complications can be linked to blood trauma induced by the devices. Important factors for blood damage are flow characteristics inside these pumps, the particular flow patterns, and shear stress levels. Thus, the aim of this thesis was to investigate the flow in clinical rotary blood pumps experimentally and numerically to provide insights into the major causes of blood damage. Based on these findings, a new less traumatic rotary blood pump design was developed. This thesis includes three publications: two papers deal with the flow characteristics in established rotary blood pumps. In the third paper a less traumatic rotary blood pump design is presented and compared to the previously investigated pumps. In a first step, computational fluid dynamics (CFD) was utilized to compare the two most widely used rotary blood pumps: the axial HeartMate II pump and the radial Heartware HVAD pump. The flow fields were simulated for one typical state of operation and analyzed, especially regarding potential blood trauma. Since blood damage is connected to high shear stresses, volumetric proportions exposed to different shear stress levels were calculated. Furthermore, a hemolysis index based on a revised Eulerian transport approach was computed. (Paper I) Second, flow measurement and visualization methods were used to investigate the flow inside the HeartMate II. An experimental setup with an upscaled model was built which was optically accessible. The wall Particle Image Velocimetry (wall-PIV) method was employed for flow measurements close to the outer wall while the paint erosion method gave insight into flow patterns on the inner surfaces of pump components. Overall good agreement of CFD and experimental results was observed and critical regions with regard to blood damage and thrombus formation were identified. (Paper II) The final objective of this thesis was to develop and investigate a novel pump design with decreased shear stresses to reduce blood trauma. For this purpose, a two-stage pump design was introduced. By using two diagonal stages, lower circumferential velocities compared to the two established blood pumps were possible which led to lower shear stresses as shown by CFD. This reduces blood trauma and might therefore decrease the likelihood of adverse events in VAD patients. (Paper III)
Moderne Herzunterstützungssysteme (engl.: ventricular assist devices (VADs)) sind kleine, implantierbare Kreiselpumpen. Die Überlebensraten mit diesen Geräten sind während der letzten Jahrzehnte erheblich gestiegen. Trotz umfangreicher Forschung und neuer Technologien ist der klinische Nutzen dieser Systeme jedoch durch eine hohe Inzidenz von Komplikationen begrenzt. Zu den häufigsten Komplikationen von VAD-Patienten zählen Schlaganfälle, Infektionen, Pumpenthrombosen und Blutungen. Ein Großteil dieser Komplikationen kann mit einer durch die Pumpen verursachten Blutschädigung in Zusammenhang gebracht werden. Dies wird vor allem durch die bestimmte Strömungsstrukturen und hohe Schubspannungsniveaus in der Pumpenströmung verursacht. Folglich war es das Ziel dieser Arbeit, die Strömung in Herzunterstützungspumpen experimentell und numerisch zu unter-suchen, um die Hauptursachen für die Blutschädigung zu identifizieren. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine neue, weniger schädigende Blutpumpe entwickelt. Es werden drei Publikationen präsentiert, welche die Strömungseigenschaften von klinisch etablierten Blutpumpen untersuchen und ein blutschonenderes Pumpenkonzept beschreiben. Im ersten Schritt wurden die zwei klinisch am häufigsten implantierten Blutpumpen mit Hilfe numerischer Simulation verglichen: die HeartMate II (HM II) und das Heartware HVAD. Die Pumpenströmungen wurden für einen typischen Betriebspunkt simuliert und besonders im Hinblick auf eine mögliche Blutschädigung analysiert. Da diese von der Höhe der Schubspannungen abhängt, wurden Volumenanteile, die bestimmten Schubspannungsbereichen ausgesetzt sind, berechnet. Außerdem wurde ein Hämolyse-Index basierend auf einem weiterentwickelten Eulerschen Transportansatz ermittelt. (Paper I) Als Zweites wurden Methoden der Strömungsmesstechnik und -sichtbarmachung eingesetzt, um die Strömung in der HM II zu untersuchen. Dafür wurde ein experimenteller Aufbau mit einem vergrößerten, optisch zugänglichen Modell der Pumpe entwickelt. Mit dem Wand-Particle Image Velocimetry (PIV)-Verfahren wurde die Strömung nahe der äußeren Gehäusewand erfasst, während das Farbanstrichverfahren Einblicke in die Strömung auf der Oberfläche der inneren Pumpenkomponenten lieferte. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung von experimentellen und numerischen Ergebnissen beobachtet und es konnten kritische Regionen für Blutschädigung und Thrombenbildung identifiziert werden. (Paper II) Das abschließende Ziel dieser Dissertation war die Entwicklung und Untersuchung eines neuen Pumpenkonzepts mit reduzierten Schubspannungen zur Verringerung von Blutschädigung. Dies konnte mit dem Konzept einer zweistufigen halbaxialen Pumpe erreicht werden, bei der der nötige Druckaufbau auf die einzelnen Stufen verteilt wird, sodass geringere Umfangsgeschwindigkeiten möglich waren. Auf diese Weise wurden die Schubspannungen in der Pumpe reduziert, wodurch folglich die Blutschädigung verringert und möglicherweise die Wahrscheinlichkeit für Komplikationen bei VAD-Patienten verringert wird. (Paper III)
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5870
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5466
Exam Date: 4-Jul-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 5-Sep-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): rotary blood pump
computational fluid dynamics
blood damage
ventricular assist device
Blutpumpe
numerische Simulation
Blutschädigung
Herzunterstützungspumpe
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