Bir kalp destek pompasının geometrik optimizasyonu

Abstract

Kalp yetmezliği olan hastaların tedavisi için kullanılmak üzere geleneksel metotlarla tasarlanan rotadinamik kalp destek pompalarında kinik uygulamalarda karşılaşılan problemlerden dolayı, onların tasarımında iyileştirme çalışmalarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu iyileştirme çalışmalarında verim ve kırmızı kan hücrelerinin hasarı azaltılmaya çalışılmaktadır. Bu çalışmada geleneksel yöntemlerle tasarlanmış santrifüj bir kalp destek pompasının hemoliz indeksi ve hidrolik verim açılarından iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, santrifüj kan pompaları üzerine hemoliz indeksi tahmin metotları üzerine çalışma yapılmıştır. Hemoliz indeksi tahmininde yaygın olarak kullanılan Euler yaklaşımıyla Power-Law modelinde kullanılacak kat sayı setleri, viskozite tanımı ve hesaplamalı akışkanlar dinamiğinde (HAD) kullanılacak türbülans modelleri karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma çalışmaları sonucunda deneysel sonuçlarla en yakın uyumu veren kat sayı seti, viskozite tanımı ve türbülans modeli belirlenip çalışmanın ilerleyen aşamalarında uygulanmıştır. Optimizasyon çalışmasında hidrolik verim ve hemoliz indeksi üzerinde en yoğun etkiye sahip olduğu değerlendirilen 7 geometrik parametre seçilmiş, bu geometrik parametrelerin alt ve üst sınırları belirlenerek arama bölgesi oluşturulmuştur. Bu arama bölgesi içinde 183 örnek pompa oluşturulmuş ve HAD simülasyonları yapılmıştır. HAD simülasyonlarından elde edilen hemoliz indeksi ve hidrolik verim sonuçları kullanılarak pompanın uyarlanabilir nöro-bulanık çıkarım sistemi (ANFIS) modeli elde edilmiştir. Optimizasyon çalışması, bu ANFIS modelleri kullanılarak genetik algoritma (GA) ile yapılmıştır. GA ile bulunan optimum boyutlara sahip pompa modeli ANSYS Fluent ile simüle edilmiş ve elde edilen sonuçlar temel pompanın simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Optimizasyon sonucunda, temel pompanın hemoliz indeksi açısından %3,9 ve hidrolik verim açısından %8,7 oranında iyileştirildiği görüldü. Optimum pompa ile temel pompa tasarım devri dışında da karşılaştırıldı. Denenen tüm devirlerde optimum pompanın hem hemoliz indeksi hem hidrolik verim hem de basınç farkı açılarından temel pompadan %1,7 ile %8,7 arasında değişen seviyelerde daha iyi olduğu görüldü. Aynı şekilde tasarım debisi dışında da karşılaştırmalar yapıldı ve yine denenen her debi değerinde de optimum pompanın %1,7 ile %8,7 arasında değişen seviyelerde daha yüksek performanslı olduğu tespit edilmiştir. Optimum pompanın çarkının eğri, konik ve düz olmak üzere üç farklı örtü (kapak) tipine sahip olan versiyonları HAD ile simüle edilip karşılaştırılmıştır. Bu denemelerde çarkı konik örtülü olan versiyon eğri örtülü çarka sahip versiyondan hemoliz indeksi açısından %2,8, hidrolik verim açısından %2,7 daha yüksek performans göstermiştir

Due to the problems encountered in clinical applications of rotodynamic heart support pumps, which are designed with traditional methods to be used for the treatment of heart failure patients, there is a need for improvement studies in their design. In these improvement studies, efforts are made to reduce efficiency and damage to red blood cells. In this study, it was aimed to improve a centrifugal heart assist pump designed with traditional methods in terms of hemolysis index and hydraulic efficiency. For this purpose, a study was conducted on hemolysis index estimation methods on centrifugal blood pumps. The coefficient sets to be used in the Power-Law model with the Euler approach, which is widely used in hemolysis index estimation, and viscosity definition and turbulence models to be used in computational fluid dynamics (CFD) were compared. As a result of these comparison studies, the coefficient set, viscosity definition, and turbulence model that gave the closest match to the experimental results were determined and applied in the following stages of the study. In the optimization study, 7 geometric parameters that were considered to have the most intense effect on hydraulic efficiency and hemolysis index were selected, and the search region was formed by determining the lower and upper limits of these geometric parameters. Within this search area, 183 sample pumps were formed and CFD simulations were performed. The adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) model of the pump was obtained by using the hemolysis index and hydraulic efficiency results obtained from CFD simulations. The optimization study was carried out with a genetic algorithm (GA) using these ANFIS models. The pump model with optimum dimensions found by GA was simulated with ANSYS Fluent and the obtained results were compared with the simulation results of the basic pump. As a result of the optimization, it was seen that the basic pump was improved by 3.9% in terms of hemolysis index and 8.7% in terms of hydraulic efficiency. The optimum pump and the basic pump were also compared out of the design rotational speed. At all rotational speeds tested, it was observed that the optimum pump was better than the base pump in terms of both hemolysis index, hydraulic efficiency, and pressure difference, at levels ranging from 1.7% to 8.7%. Likewise, comparisons were made out of the design flow rate, and it was determined that the optimum pump had higher performance at levels ranging from 1.7% to 8.7% at each flow rate tested. The impeller versions of the optimum pump with three different shroud types: curved, conical, and flat were simulated with CFD and compared. In these trials, the version with a conical shroud impeller showed 2.8% higher performance in terms of hemolysis index and 2.7% higher performance in terms of hydraulic efficiency than the version with a curved shroud impeller.