Studio computazionale di una pompa centrifuga a levitazione magnetica e stima del suo potenziale trombogenico

Heart diseases describe a series of pathological conditions affecting the heart. Under the class of heart diseases we find, among all, blood vessel diseases such as coronary artery disease, arrhythmias, congenital morphological defects, valvular diseases and infections. Invasive surgical intervention remains the only permanent treatment for end-stage patients. In 1937 the invention of Extracorporeal Circulation (ECC), also called the heart-lung machine (HLM), by John H Gibbon revolutionized cardiac surgery, tracing the way for new treatment options.Later developments of this technology (ECMO) have opened up the possibility for short-term treatments for patients with severe cardiac or respiratory failure.ECC and ECMO temporarily replace the heart and lung function and their main components are oxygenator and pump. The new generation devices are mainly composed of centrifugal pumps (continuous flow) and roller pumps. Blood recirculating devices as ECC and ECMO are widely used in clinical care for patients suffering heart failure. There are many complications associated with their utilization, the most important associated with device thrombogenicity.This study was carried out through the development of a CFD model of two centrifugal pump prototypes with magnetically suspended impeller, capable to analyze the contribution of device fluid dynamics to thrombogenic potential. For each pump, 2 subsequent simulations have been performed in order i) to compare the pump performances with the experimental results and ii) to predict the activation of platelets due to abnormal shear stress levels experienced while passing through the pump. Simulations were run on a 24-CPU Dell workstation.The comparative analyzes of the pressure and velocity fields showed no relevant differences in the fluid dynamics of the two pump models under examination, both from a qualitative and quantitative point of view. However, they showed good properties of blood circulation and washability due to the magnetic levitation impeller and the design of the axial washout-hole. The study of the impeller velocity triangles showed that straight profile of the blades determines high speeds in fluid exiting the impeller in both devices. A design review of the blades, with a curved backwards profile, would allow to reduce the flow speed in that region and therefore help to minimize the total pressure losses within the pump. 12-blades pump showed lower hydrodynamic efficiency compared to the 6-blades one, infact it generates lower head pressure in the same operating condition (rotating speed, flow rate). Increasing the number of the blades seems to affect the efficiency by increasing the local fluid velocity and also the blade friction losses (profile loss), due to major number of interface between fluid stream and blade. This dynamic clould be related also with the higher thrombogenicity showed from the 12-blades pump with respect to the 6-blade pump. The performed Lagrangian analysis of the particles injected combined with the platelet activation model made it possible to verify that both pumps have a low thrombogenic potential with maximum activation values lower than 5% and 10% depending on whether the Soares or Consolo coefficient are adopted respectively. Numerical results show that the value of the platelet activation state increases with the value of the shear rate. In contrast, an increase in SA values does not imply an increase in PAS. In conclusion, the numerical approach used proved to be efficient in achieving the main objectives of this study; the results suggest that the analyzed centrifugal pumps combine good idraulic performance and low thrombogenic potential.

Le malattie cardiache descrivono una serie di condizioni patologiche a carico del cuore. Sotto la classe delle malattie cardiache troviamo, tra tutte, malattie dei vasi sanguigni come la coronaropatia, aritmie, insufficienza cardiaca, difetti morfologici congeniti, valvulopatie e infezioni. L’intervento chirugico invasivo rimane l'unico trattamento permanente per i pazienti allo stadio terminale. Nel 1937 l’invenzione della circolazione extracorporea (ECC), anche denominata macchina cuore-polmone (HLM), da parte di John H Gibbon rivoluzionò la cardiochirurgia aprendo la strada a opzioni di trattamento precedentemente inattuabili. Evoluzioni successive di questa tecnologia (ECMO) hanno aperto la possibilità a trattamenti a breve termine per pazienti con grave insufficienza cardiaca o respiratoria.ECC e ECMO sostituiscono temporaneamente la funzione di cuore e polmone e i loro principali componenti sono ossigenatore e pompa. I device di nuova generazione sono composti principalmente da pompe centrifughe (a flusso continuo) e pompe a rulli. I Blood recirculating devices come ECMO e ECC trovano ampio uso in clinica nella cura di pazienti che soffrono di gravi patologie cardiache. Vi sono tuttavie numerose complicanze associate al loro utilizzo, la più rilevante delle quali è la trombogenicità. Nel presente lavoro, l’obiettivo è stato quello di investigare le performance di due prototipi di pompa centrifuga a levitazione magnetica con particolare attenzione alla relazione che intercorre tra gli stress idrodinamici e l’attivazione piastrinica. Questo studio è stato portato avanti attraverso la costruzione di un modello CFD dei due prototipi in esame.Per cisacuna pompa in esame sono stati stabiliti due gruppi di simulazioni successive per i) comparare le prestazioni della pompa con i risultati sperimentali e ii) per predire l’attivazione piastrinica dovuta ad anomali livelli di shear stress sperimentati durante il passaggio nella pompa. Le simulazioni sono state lanciate su di una workstation Dell a 24-CPU.Le analisi comparative dei campi di pressione e velocità non hanno mostrato sostanziali differenze nella fluidodinamica delle due varianti di pompa in esame sia dal punto di vista qualitativo che quantitativo. Tuttavia le analisi hanno evidenziato le buone proprietà di ricircolo sanguigno e lavabilità delle superfici più interstiziali conferite al device dal sollevamento dall’impeller a levitazione magnetica e dal design del washout-hole assiale. Lo studio dei triangoli di velocità ha consentito di verificare che il profilo rettilineo delle pale determina elevate velocità in uscita dalla girante in entrambi i device. Una rivisitazione del design delle pale, con un profilo curvo rivolto all’indietro consentirebbe di ridurre la velocità di uscita del flusso dalla girante e dunque di ridurre al minimo le perdite di carico totali nella pompa. La pompa a 12 pale si è dimostrata meno efficiente dal punto di vista idrodinamico, infatti a partità di velocità di rotazione e portata genera una prevalenza minore. Un numero troppo elevato di pale, oltre a provocare aumenti della velocità del flusso, implica anche un aumento delle interfacce tra particelle fluide e pala che possono indurre maggiori perdite idrauliche per attrito (profile loss) dovute agli shear stress tra profilo della pala e fluido che scorre su di essa. Tale dinamica può essere inoltre associatà ad una peggiore prestazione trombogenica riscontrata appunto nella pompa a 12 pale rispetto alla pompa a 6 pale. L'analisi lagrangiana delle particelle iniettate nel flusso unita al modello di attivazione piastrinica haanno consentito di verificare che entrambe le pompe hanno un basso potenziale trombogenico con valori di attivazione massimi inferiori al 5% e al 10% a seconda che vengano adottati i coefficienti di Soares e Consolo rispettivamente. I risultati numerici mostrano, che il valore del stato di attivazione piastrinico aumenta con il valore di shear rate. Al contrario, un aumento dei valori stress accumulation non implica un aumento di PAS. In conclusione, l’approccio numerico utilizzato si è dimostrato efficiente nel raggiungimento dei principali obiettivi di questo studio; i risultati suggeriscono che le pompe centrifughe analizzate coniugano in maniera complessiva buone prestazioni idrauliche e basso potenziale trombogenico.