Über die numerische Bestimmung der Blutschädigung in Rotationsblutpumpen

• On the numerical quantification of blood damage in rotary blood pumps

Groß-Hardt, Sascha; Steinseifer, Ulrich (Thesis advisor); Karagiannidis, Christian (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

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

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.