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Über die numerische Bestimmung der Blutschädigung in Rotationsblutpumpen = On the numerical quantification of blood damage in rotary blood pumps

Groß-Hardt, Sascha^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sascha Heinrich Groß-Hardt

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Band (verschiedene Zählungen)

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020, Kumulative Dissertation

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Steinseifer, Ulrich (Thesis advisor) ; Karagiannidis, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-06-05

Einrichtungen

1. Institut und Lehrstuhl für Angewandte Medizintechnik (811001-1)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
blood trauma shear stress mesh sensitivity ventricular assist device (frei) ; computational fluid dynamics (CFD) (frei) ; low-flow operation (frei) ; validation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Trotz jahrzehntelanger Forschung im Bereich der Blutschädigung und der numerischen Blutschädigungsberechnung konnte die Genauigkeit der Vorhersagealgorithmen für komplexe Strömungen nicht wesentlich verbessert werden. Nicht-physiologisch hohe Scherbeanspruchungen werden mit Bluttraumata und vielen der Komplikationen bei mechanischen Kreislaufunterstützungssystemen in Zusammenhang gebracht, aber direkte Vorhersagen der Blutschädigung (z.B. Hämolyse oder Thrombose) sind mithilfe der Numerischen Strömungsmechanik (CFD) bislang ungenau. Ein wichtiger, aber bislang oft unterschätzter Faktor für die Genauigkeit der gesamten Simulation ist die Netzgenerierung, die eine Unterteilung eines kontinuierlich geometrischen Raums in diskrete geometrische und topologische Elemente beschreibt. Die erste Veröffentlichung behandelt die hohe Abhängigkeit der Scherspannungsprognose von der Netzauflösung innerhalb einer generischen Rotationsblutpumpe. Um Unterschätzung zu vermeiden und eine konsistente Quantifizierung der tatsächlichen Schubspannung zu gewährleisten, waren wesentlich feinere Netzauflösungen im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik erforderlich. Dementsprechend wurde auch der Netz-induzierte Fehler in der anschließenden Vorhersage der Hämolyse minimiert. Die zweite Veröffentlichung behandelt entscheidende Aspekte für eine verbesserte numerische Genauigkeit in Bezug auf die Ergebnisvalidierung, die Wahl des Turbulenzmodells und die Überprüfung des numerischen Setups. Die Simulationsergebnisse einer Benchmark-Kreiselblutpumpe aus der FDA- Critical Path Initiative wurden mit experimentellen Messdaten verglichen, wobei gezeigt werden konnte, dass die Simulationsgenauigkeit stark sowohl von der Validierung des Druckaufbaus als auch dem internen Geschwindigkeitsfeld der Pumpe abhängt. Darüber hinaus erforderte die Quantifizierung der Schubspannung eine besonders hohe Netzauflösungen im Wandbereich, die jedoch für die Validierung von Druckaufbau oder Geschwindigkeitsfeld nicht erforderlich waren. Anhand der Ergebnisse aus den beiden vorangegangenen Publikationen zeigt die dritte Publikation das erhöhte Risiko für Blutungs- oder Gerinnungskomplikationen bei Blutflussraten unter 2 L/min bei derzeit eingesetzten Rotationsblutpumpen, wie kürzlich bei der klinischen Anwendung für ECCO2R-Systeme, neonatalen und pädiatrischen ECMO-Anwendungen beobachtet wurde. Mit Hilfe von hochauflösender numerischer Strömungsberechnung wurde gezeigt, dass die pumpeninterne Rezirkulationsrate in diesen Flussbereichen um das 6-12-fache zunimmt und die negativen Auswirkungen durch mehrfache Scherbeanspruchung potenziell erhöht werden. Diese Dissertation diskutiert die Bedeutung einer systematischen Modellverifikation und Ergebnisvalidierung als entscheidende Voraussetzung für eine verbesserte Simulationsgenauigkeit. Die Ergebnisse werden die Entwicklung fortschrittlicher und zuverlässiger Blutschädigungsmodelle in Zukunft unterstützen. Darüber hinaus konnte CFD zum Verständnis der schwerwiegenden Folgen beitragen, die der Niedrigfluss-Betrieb aktueller Rotationsblutpumpen mit sich bringt, und die Notwendigkeit betonen, dedizierte Blutpumpen für Niedrigfluss-Anwendungen zu entwickeln.

Despite decades of research related to blood damage and numerical blood damage estimation, the accuracy of prediction algorithms for complex flows could not be improved significantly. Nonphysiologically high shear stresses are associated with blood trauma and many of the complications in mechanical circulatory support devices, but direct blood damage predictions (e.g. hemolysis or thrombosis) with Computational Fluid Dynamics (CFD) tend to be inaccurate. An important, but often underestimated factor for the accuracy of the entire simulation is mesh generation, describing the subdivision of a continuous geometric space into discrete geometric and topologic cells. The first publication details the strong dependency of mesh resolution on shear stress prediction within a generic rotary centrifugal blood pump. To avoid under prediction and to maintain a consistent quantification of the actual shear stress, much finer mesh resolutions were required, compared to the current state of the art. Accordingly, the mesh-induced error in subsequent hemolysis prediction was minimized. The second publication highlights crucial aspects for improved numerical accuracy with respect to result validation, choice of turbulence model and setup verification. Simulation results of a benchmark centrifugal blood pump from the FDA Critical Path Initiative were compared with experimental data, demonstrating that the simulation accuracy depends highly on the validation of both pump pressure head and internal velocity field. Furthermore, shear stress quantification demanded particularly high near-wall mesh resolutions, which were not required for the validation of pressure heads or velocity. Using the findings from the previous two publications, the third publication demonstrates the high risk of increased bleeding or clotting complications of currently used rotary blood pumps when operated at blood flow rates below 2 L/min, as in recent clinical use for ECCO2R systems or neonatal and pediatric ECMO applications. Using high resolution CFD analysis, it was observed that the pump internal flow recirculation rate increases 6-12-fold in these flow ranges, potentially increasing adverse effects due to multiple exposures to high shear stress. This dissertation discusses the importance of systematic model verification and result validation as decisive prerequisites for improved simulation accuracy. The findings will support the development of more advanced and more credible blood damage models in the future. Furthermore, CFD could contribute to the understanding of the deleterious consequences that present with the low-flow operation of current rotary blood pump systems, stressing the urgent need to design blood pumps dedicated for low flow applications.

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
print

Sprache
German

Externe Identnummern
HBZ: HT020562628

Interne Identnummern
RWTH-2020-08537
Datensatz-ID: 795760

Beteiligte Länder
Germany