Implementazione di un modello computazionale per la stima del grado di emolisi indotto da dispositivi biomedici e verifica sperimentale

This thesis project is part of the evaluation of haemolysis induced by biomedical devices and aims to develop a computational model capable of predicting the degree of red blood cells damage. The study is completed by an experimental part in which haemolysis is analysed by means of laboratory tests to assess the goodness and accuracy of the computational model developed. For these purposes, two different central venous catheters (CVC) for haemodialysis, commonly used in clinical practice, were considered and the fluid dynamics inside them were simulated using Ansys Fluent. The data of interest were processed in MATLAB, the environment in which the Lagrangian computational model of Grigioni et al. was implemented, considering the equivalent shear stress of Faghih and Sharp. The prediction of haemolysis was carried out using different sets of parameters (χ, α, β) available in the literature. From the experimental point of view, a test bench was constructed to test the catheters. It was designed to be as similar as possible to the CAD model used in fluid-dynamic simulations: the catheter was inserted into a tube representing the superior vena cava (VCS) and two pumps were used to reproduce the circulation in the VCS and inside the catheter itself. Two international standards, specifically ASTM F756 and ASTM F1841, were used as a reference to compare the computational and experimental results in order to perform an investigation in conformity with the relevant guidelines.

Questo progetto di tesi si inserisce nell’ambito della valutazione dell’emolisi indotta da dispositivi biomedici e si pone come obiettivo lo sviluppo di un modello computazionale capace di predire il grado di danneggiamento dei globuli rossi. Lo studio si completa con una parte sperimentale in cui l’emolisi viene analizzata tramite prove in laboratorio con lo scopo di valutare bontà e accuratezza del modello computazionale sviluppato. Per questi propositi sono stati considerati due diversi cateteri venosi centrali (CVC) per emodialisi comunemente utilizzati nella pratica clinica, e la fluidodinamica al loro interno è stata simulata tramite l’uso di Ansys Fluent. I dati di interesse sono stati elaborati in MATLAB, ambiente in cui è stato implementato il modello computazionale Lagrangiano di Grigioni et al. considerando lo sforzo di taglio equivalente secondo la formulazione di Faghih e Sharp. La previsione dell’emolisi è stata condotta utilizzando diversi set di parametri (χ, α, β) presenti in letteratura. Dal punto di vista sperimentale, invece, per testare i cateteri oggetto di studio è stato progettato un banco prova che fosse il più simile possibile al modello CAD usato nelle simulazioni fluidodinamiche: il catetere è stato inserito in un tubo rappresentante la vena cava superiore (VCS) e sono state utilizzate due pompe per riprodurre la circolazione in VCS e all’interno del catetere stesso. Per procedere con il confronto tra i risultati computazionali e quelli sperimentali sono stati presi come riferimento due standard internazionali, nello specifico l’ASTM F756 e l’ASTM F1841, al fine di condurre un’indagine conforme alle linee guida in materia.