Numerische Simulation der Strömung in Miniaturkreiselpumpen zur Blutförderung

Apel, Jörn; Rau, Günter

doi:24792

Numerische Simulation der Strömung in Miniaturkreiselpumpen zur Blutförderung

Apel, Jörn (Author)

2002 & 2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jörn Apel

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangVIII, 186 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Prüfungsjahr: 2002. - Publikationsjahr: 2003

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-10-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-5500
DOI: 10.18154/RWTH-CONV-120671
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/58840/files/58840.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Medizin (frei) ; CFD (frei) ; Strömungssimulation (frei) ; Blutpumpe (frei) ; Blutströmung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Die Bereitstellung kompakter Herzunterstützungssysteme mit stark reduziertem Bauraum eröffnet neue Operationstechniken und Platzierungsmöglichkeiten und stellt damit einen vielversprechenden Ansatz dar, die Belastung des Patienten bei kardiochirurgischen Eingriffen oder temporärer Herzentlastung deutlich zu verringern. Die Anforderungen an solche Systeme umfassen vornehmlich die Erfüllung hydraulischer Leistungsvorgaben und die biologische Verträglichkeit. Im Zentrum dieser Arbeit steht die Untersuchung der Fragestellung, inwieweit numerische Strömungssimulation eingesetzt werden kann, um Aussagen über die hydraulischen Eigenschaften sowie den potentiell blutschädigenden Einfluß von intravasalen Mikropumpen axialer Bauart zur Herzunterstützung zu treffen. Zu diesem Zweck werden zunächst die in Hinblick auf die gegebene Anwendung relevanten Grundlagen der numerischen Strömungssimulation aufgearbeitet und die wesentlichen Annahmen herausgestellt. Daraufhin wird ein geeignetes Simulationsmodell entwickelt und die Anforderungen an die Gittergenerierung, Randbedingungen und weitere Modellparameter in Bezug auf Mikropumpen mit Fördermedium Blut formuliert. Daran schließt sich die Auswertung von Simulationsrechnungen an, die basierend auf dem entwickelten Modell durchgeführt werden. Im Rahmen der sich anschließenden Validierung werden die Ergebnisse mit experimentellen Daten aus hydraulischen Messungen sowie mit Resultaten von Experimenten einer Strömungsvisualisierung verglichen und bewertet. Im Weiteren wird die Fragestellung untersucht, inwieweit sich die numerische Strömungssimulation eignet, die potentiell schädigende Wirkung von Mikropumpen auf das Fördermedium Blut qualitativ und quantitativ zu bestimmen. Nach einer knappen Behandlung der zugrundeliegenden physiologischen Zusammenhänge werden verschiedene Methoden vorgestellt, die unter Rückgriff auf wichtige Schädigungsfaktoren eine qualitative Aussage über potentielle Blutschädigung erlauben. Darüber hinaus werden verschiedene Ansätze vorgestellt, implementiert und evaluiert, die zum Ziel haben, aus den Schädigungsfaktoren auf ein Belastungsprofil zu schließen, welches als Charakteristikum für die Blutschädigung herangezogen werden kann. Die Bewertungsansätze werden anhand experimenteller Daten überprüft und diskutiert. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse und einem Ausblick auf Weiterentwicklungen und zweckmäßige Folgeuntersuchungen.

New operation techniques on patients undergoing cardiovascular surgery or short-term ventricular assistance have lead to the development of a new generation of blood pumps with minimal size. This development is mainly focussed on hydraulic performance and biocompatibility. This thesis covers the assessment of computational fluid dynamics as a tool to investigate fluid dynamics and blood damaging effects within three intravascular micro blood pumps. In the beginning an introduction into computational fluid dynamics is given and the main assumptions with respect to the pump flow are presented. A computational model basing on these assumptions is introduced and requirements regarding grid generation, boundary conditions and further model parameters are discussed. Numerical calculations on this model are performed and analyzed. The results are compared with according experimental data from hydraulic tests and flow visualizations performed on physical blood pump models. Furthermore, the computational model is used to assess potential blood damage induced by the fluid dynamics within the pump. The physiological background of flow induced blood damage is discussed and different methods of damage assessment are presented. The most suitable computational approaches are implemented into the model, evaluated and validated against experimental data. Finally, the main results are summarized and discussed in context.

OpenAccess:
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