Numerical Analysis of Ventricular Assist Devices Based on Centrifugal Turbopumps

Abstract

[ES] Este Trabajo de Fin de Máster consiste en el análisis de la hemodinámica en el interior de Dispositivos de Asistencia Ventricular haciendo uso de la herramienta CFD. La última generación de dispositivos está compuesta por bombas centrífugas que utilizan sistemas de levitación magnética para posicionar el rotor asegurando una holgura entre partes móviles y estáticas. A pesar del uso en aumento de estos dispositivos como terapia de destino en pacientes en fases avanzadas de fallo cardíaco, todavía existen complicaciones en el largo plazo relacionadas con su hemocompatibilidad que hace referencia al daño a la sangre asociado a dispositivos médicos con superficies en contacto con la sangre. En este proyecto, se investigan las prestaciones de los principales dispositivos de la última generación considerando tanto la hemodinámica (salto de presión, potencia mecánica en el eje, eficiencia hidráulica) como el daño a la sangre asociado (hemólisis). Dichos dispositivos son HeartWare (HVAD) y HeartMate3 (HM3). El primero utiliza un sistema híbrido para el posicionamiento axial del rotor que combina levitación hidrodinámica y magnética. Como consecuencia de los requerimientos para la levitación hidrodinámica, incorpora un rotor de álabes anchos con gran superficie en contacto con la holgura axial que, además, tiene una altura del orden de diez glóbulos rojos. El segundo, en cambio, utiliza un sistema de levitación puramente magnético, hace uso de álabes convencionales y sus holguras tanto axiales como radiales son del orden de cien glóbulos rojos. Los modelos CFD de ambos dispositivos se validan experimentalmente, y se comparan diversas metodologías computacionales con el fin de construir el modelo más apropiado. Los diferentes diseños de los dispositivos considerados conllevan a prestaciones notablemente desiguales: HM3 presenta mayor eficiencia hidráulica y tiene asociado un daño a la sangre menor que HVAD, debido a la forma de sus álabes y al diseño de las holguras

[EN] This Final Year Project consists in the analysis of the hemodynamics within Left Ventricular Assist Devices using Computational Fluid Dynamics (CFD). The last generation of devices is composed of centrifugal turbopumps which employ magnetic levitation bearings to position the impeller ensuring a gap distance between moving and static parts. Despite the increasing use of these devices as a destination therapy in patients suffering from advanced heart failure, several long-term complications still exist regarding their hemocompatibility which refers to the blood damage associated to blood-contacting medical devices. In this project, the performance of the

main devices of the last generation is investigated considering both the hemodynamic performance (pressure head, mechanical shaft power, hydraulic efficiency) and the associated blood damage (hemolysis). These devices are HeartWare (HVAD) and HeartMate3 (HM3). The former employs a hybrid system to position the impeller axially by combining hydrodynamic and magnetic levitation. As a consequence of the hydrodynamic lift¿s requirements, it incorporates a wide-blade impeller with large areas in contact with the axial gap which has a clearance of the order of ten red blood cells. The latter, conversely, employs a uniquely magnetic levitation system, incorporates conventional blades and its axial and radial gaps have clearances of the order of hundred red blood cells. The CFD models for both devices are validated experimentally, and several computational methodologies are compared in order to construct the more appropriate model. The different designs of the considered devices lead to dissimilar performance: HM3 presents higher hydraulic efficiency and reduced blood damage in comparison with HVAD, due to the shape of its blades and the gap design.