Numerical analysis of an influence of the artificial valve type on the blood flow inside the ventricular assist device

• Autorzy: Klosinski P. , Reorowicz P. , Obidowski D. , Jozwik K.

Warianty tytułu

PL

Kod MES do modelowania wieloskalowego stanu odkształceń-naprężeń w komorze krwistej zbudowanej z poliuretanu i azotku tytanu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A Ventricular Assist Device (VAD) is used in case of severe heart illnesses when the natural heart supplies the body with an insufficient volume of blood. Any damage or improper fiinctioning of the VAD can result in the patienfs death. This implies the constant need to improve the design of VADs and artificial valves which are crucial parts of the device. The authors used the latest Computer Aided Design and Computational Fluid Dynamics software to analyze the flow in the pneumatic Ventricular Assist Device designed at the Foundation of Cardiac Surgery Development and eąuipped with two different types of valves. In the study, a single-disc mechanical artificial heart valve based on the invention of Prof. J.J. Moll, modified at the Institute of Turbomachinery, TU Lodz, was compared with a three-leaflet polyurethane artificial heart. A comparison was made on the basis of the flow visualization inside the VAD chamber and the size of stagnation regions where the flowing blood may coagulate. An angular position of the disc valve was determined on the basis of the previous studies. A steady state simulation was performed on the assumption that walls of the assist device, adapters and valves were rigid. Dynamie viscosity of blood was defined on the basis on the Non-Newtonian Power Law. Simulations were preformed for systole and diastole conditions. The Ansys CFX vi2 code was used to perform preprocessing, solving and postprocessing stages. Deformations of the three-leaflet polyurethane valve were obtained in SolidWorks 2009 and imported to Ansys ICEM v. 12. On the basis of the preformed analysis, it has been proven that the disc mechanical heart valve generates better flow conditions inside the heart chamber, especially if a risk of coagulation is concerned. Moreover, the flow observed inside the chamber when the disc valve was used is more homogenous and a single swirl occurring in the central part enables good washing of the connection of the diaphragm and chamber regions.

PL

Gdy lewa komora serca nie pracuje prawidłowo, to jest zastępowana protezą - pulsacyjną komorą wspomagania pracy serca (VAD, z ang. ventricular assist device), którą często wykonuje się z poliuretanu (PU) i naniesionej za pomocą metody PLD (osadzenie laserem impulsowym) biokompatybilnej powłoki TiN. Otrzymywane duże wartości ściskających naprężeń własnych, są najwyższe ze wszystkich mierzonych, gdy powłokę TiN nanosi się metodą PLD. Celem niniejszej pracy jest opracowanie programu komputerowego wykorzystującego metodę elementów skończonych (MES) do wieloskalowego modelowania stanu odkształceń i naprężeń dla komory krwistej zbudowanej z PU/TiN, który to program będzie wykorzystywany do określania najbardziej niebezpiecznych miejsc ze względu na możliwe uszkodzenia materiału powierzchni komory, jakie mogą się pojawiać w warunkach pracy komory. Algorytmy wykorzystywane do tworzenia siatki elementów skończonych, implementacja warunków brzegowych i otrzymane rozwiązanie numeryczne zaprezentowano w niniejszej pracy. Opracowany kod MES jest oparty na nowym podejściu do symulowania materiałów wielopowłokowych otrzymywanych metodą PLD. Model w skali mikro zawiera dwa składniki: model naprężeń własnych (naprężeń początkowych) powstałych w procesie nanoszenia powłok i model obciążeń zadawanych w komorze krwistej VAD. Przewidywane w modelu rozkłady naprężeń i odkształceń pomagają określić dokładnie te strefy komory krwistej, które można zdefiniować, jako obszary będące źródłem jej uszkodzeń  

Słowa kluczowe

EN

ventricular assist device; artificial heart; artificial heart valves; numerical fluid mechanics

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 11, No. 1
• Strony: 209--214
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys.

Twórcy

autor

Klosinski P.

autor

Reorowicz P.

autor

Obidowski D.

autor

Jozwik K.

• Technical University of Lodz, Institute of Turbomachinery, Medical Apparatus Division, Lodz, Poland,

Bibliografia

• Bujok, W., Obidowski, D., Kapis, A., Kustosz, R., Jóźwik, K, Reorowicz, P., Kłosiński, P., 2010, Influence of the type of artificial valve onto the flow inside of pediatric ventricular assist device, Journal of Artificial Organs, 33 (7), 471.
• De Hart, J., Baaijens, F.P.T., Peters, G.W.M., Schreurs, P.J.G., 2003, A computational fluid-structure interaction analysis of a fiber-reinforced stentless aortic valve, Journal of Biomechanics, 36, 699-712.
• Gijsen, F.J.H., Allanie, E., van de Vosse, F.N., Janssen, J.D., 1999, The Influence of the Non-Newtonian Properties of Blood on the Flow in Large Arteries: Unsteady flow in a 90° Curved Tube, Journal of Biomechanics, 32, 705-713.
• Gijsen, F.J.H., van de Vosse, F.N., Janssen, J.D., 1999, The Influence of the Non-Newtonian Properties of Blood on the Flow in Large Arteries: Steady Flow in a Carotid Bifurcation Model, Journal of Biomechanics, 32, 601-608.
• Johnston, B., Johnson, P., Corney, S., Kilpatrick, D., 2004, Non-Newtonian Blood Flow in Human Right Coronary Arteries: Steady State Simulation, Journal of Biomechanics, 37, 709-720.
• Jóźwik, K, Obidowski, D., Kłosiński, P., 2009, Modifications of an Artificial Ventricle Assisting Heart Operation on the Basis of Numerical Methods, Turbomachinery, 135, 61-68.
• Jóźwik, K, Obidowski, D., 2010, Numerical Simulations of the Blood Flow through Vertebral Arteries Journal of Biomechanics, 43, 177-185.
• Jóźwik, K, Obidowski, D., Reorowicz, P., Kłosiński, P., 2009, Selection of a Heart Valve Prosthesis for the Artificial Heart, The International Journal of Artificial Organs, Special issue dedicated to the ABSTRACTS from the XXXVI ESAO Congress, 2-5 September 2009, Compiegne, France, 25, 32 (7), 429.
• Obidowski D., Kłosiński P., Reorowicz P., Jóźwik K, 2010, Influence of an Artificial Valve Type on the Flow in the Ventricular Assist Device, MEDICON 2010, IFMBE Proceedings, 29, 410-413.
• Obidowski D., Mysior M., Jóźwik K, 2008, Comparison of Ultrasonic Measurement and Numerical Simulation Results of the Flow through Vertebral Arteries. In: 4th European Conf. of the International Federation for Medical and Biological Engineering, Antwerp, Vol. 22. 286-292.
• Walburn, F.J., Schneck, D.J., 1976, A constitutive equation for whole human blood, Biorheology, 31, 201-218.