Numerical solution of fluid-structure interaction arising in blood pumps based on wave membranes

Wave Membrane Blood Pumps (WMBPs) are novel left ventricular assist devices in which blood propulsion arises from the progressive wave propagation along an oscillating immersed membrane. The main purpose of this thesis is to numerically investigate the fluid-structure interaction between the blood and the wave membrane via three-dimensional simulations in the real pump domain to better understand the physical principle in WMBPs and analyze pump performance, both in terms of hydraulic power and hemocompatibility. The adopted numerical strategy is based on the unfitted Extended Finite Element Method (XFEM), which avoids remeshing by using a fixed background mesh for the fluid problem. A relaxed contact model was introduced to handle potential membrane-wall collisions in the pump, in case of high wave undulations. The computational study was conducted in two different WMBP designs, the flat membrane pump design (Test I) and the J-shape membrane pump design (Test II). In both cases, the numerical solution was successfully validated against in-vitro experimental data. The numerical results highlighted the role of the membrane wave deformation in generating blood outflow despite an adverse pressure gradient and showed that, at identical operating conditions, the J-shape pump design outperformed the flat design. Specifically, the predicted hydraulic output increased when either the frequency or the amplitude of membrane oscillations were higher, with a limited increase in the fluid stresses, suggesting good hemocompatibility properties of the WMBP system. Thus, we tested a new operating point in the J-shape design, which achieved physiologic flow rate target at diastolic head pressure. Finally, a preliminary study over the secondary non axi-symmetric modes of membrane vibration was presented (Test III), taking full advantage of the three-dimensional nature of the computational simulations . In conclusion, the proposed fluid-structure-contact model proved to be a reliable tool to predict the performance of WMBPs at different working conditions and support pump development in view of its application in the upcoming first-in-human trials.

Nel campo dei device medicali per il supporto cardiaco, una nuova generazione di pompe cardiache si fonda su un’innovativa tecnologia di propulsione basata sulla spinta derivante dal movimento di una membrana oscillante immersa nel fluido. Lo scopo principale della tesi è di investigare l’interazione fluido-struttura tra il sangue e la membrana elastica tramite simulazioni numeriche 3D nella geometria reale della pompa cardiaca, al fine di comprendere il principio fisico del suo funzionamento e anallizarne la performance, sia in termini di potenza idraulica che di emocompatibilià. La strategia numerica adottata per il problema si basa sul metodo unfitted a elementi finiti estesi (XFEM), che permette di evitare di ricorrere a procedure di remeshing utilizzando una mesh di background fissa per il problema fluido. Un modello di contatto è stato introdotto per gestire eventuali collisioni fra membrana e parete interna della pompa, in caso di ampie oscillazioni. Lo studio computazionale è stato condotto in due diversi design della pompa, il design flat (Test I) e il design J-shape (Test II). In entrambi i casi, la soluzione numerica è stata validata sulla base di dati sperimentali in-vitro. I risultati numerici hanno chiarito il ruolo della deformazione nella membrana nella generazione di flusso sanguigno in uscita nonostante il gradiente di pressione avverso e mostrato che il J-shape design è più efficiente del design flat a identiche condizioni operative. In particolare, l’output idraulico aumenta sia con la frequenza che con l’ampiezza delle oscillazioni della membrana, senza evidenti peggioramenti in termini di stress interni e emocompatibilità. Un nuovo punto operativo, proposto in questo lavoro, ha mostrato flusso in uscita fisiologico a condizioni di pressione diastolica. Infine, traendo vantaggio della natura 3D delle simulazioni, uno studio preliminare è stato condotto sullo sviluppo di modi secondari non assi-simmetrici di vibrazione della membrana per determinati punti operativi (Test III). In conclusione, il modello fluido-struttura-contatto proposto in questo lavoro di tesi ha dimostrato di esssere uno strumento utile per la predizione la performance della pompa cardiaca a diverse condizioni operative e per supportare lo sviluppo del device in vista dei primi test clinici nell’uomo.