Modeling and optimization of a right ventricular assist device: a hemocompatibility-driven approach

Right ventricular failure (RVF) is a severe complication affecting up to 40% of patients receiving left ventricular assist devices (LVAD) and is associated with high mortality. Currently, no mechanical circulatory support devices are specifically designed for right heart support, and the off-label use of LVADs as right ventricular assist devices (RVADs) leads to suboptimal performance and increased blood damage due to operation in the low-pressure pulmonary circulation. This thesis addresses this unmet clinical need through the development and optimization of a rotary RVAD specifically designed for pulmonary support, with emphasis on hydraulic efficiency and hemocompatibility. A numerical hemolysis framework was developed based on a Lagrangian, strain-based formulation. The model was validated using the FDA nozzle benchmark and demonstrated improved predictive capabilities compared to traditional stress-based approaches. A parametric RVAD design featuring a mixed-flow impeller was developed and optimized using a surrogate-based framework. Computational fluid dynamics simulations were used to train reduced-order models for efficiency, pressure generation, and hemolysis, enabling multi-objective optimization of the device geometry. The optimized RVAD showed favorable performance and agreement with experimental data. Finally, the RVAD was evaluated under realistic pathological conditions by coupling reduced-order device models with a lumped parameter cardiovascular model of isolated RVF. This approach enabled assessment of constant and pulsatile support strategies and demonstrated effective right heart support across a wide operating range. Overall, the results support the feasibility of a dedicated, durable RVAD solution for patients with RVF.

L’insufficienza ventricolare destra è una grave complicanza che colpisce fino al 40% dei pazienti sottoposti a impianto di dispositivi di assistenza ventricolare sinistra (LVAD) ed è associata a un’elevata mortalità. Attualmente non esistono dispositivi specificamente progettati per il supporto del ventricolo destro; quindi vengono utilizzati dei LVAD come dispositivi di assistenza ventricolare destra (RVAD). Ciò comporta prestazioni subottimali e un aumento del danno ematico, poiché tali dispositivi operano al di fuori delle condizioni di progetto nella circolazione polmonare a bassa pressione. Questa tesi affronta tale bisogno clinico attraverso lo sviluppo e l’ottimizzazione di un RVAD rotante specificamente progettato per il supporto polmonare, con particolare attenzione all’efficienza idraulica e all’emocompatibilità. È stato sviluppato un modello numerico di emolisi basato sulle deformazioni dei globuli rossi tramite una formulazione lagrangiana. Questo è stato validato mediante il benchmark del nozzle FDA e ha mostrato capacità predittive migliori rispetto ai modelli tradizionali basati sugli sforzi. È stato sviluppato un design parametrico dell’RVAD e ottimizzato mediante un framework basato su modelli surrogati. Simulazioni fluidodinamiche sono state utilizzate per addestrare modelli ridotti per efficienza, generazione di pressione ed emolisi, consentendo un’ottimizzazione multi-obiettivo della geometria del dispositivo. L’RVAD ottimizzato ha mostrato prestazioni favorevoli e buona concordanza con i dati sperimentali. Infine, l’RVAD è stato valutato in condizioni patologiche realistiche accoppiando modelli ridotti del dispositivo con un modello cardiovascolare a parametri concentrati di insufficienza ventricolare destra isolata. Questo approccio ha permesso di analizzare strategie di supporto costante e pulsatile, dimostrando un efficace supporto del cuore destro su un ampio intervallo di condizioni operative. Nel complesso, i risultati supportano la fattibilità di una soluzione RVAD dedicata e durevole per i pazienti affetti da insufficienza ventricolare destra.