Dynamic modelling and analysis of hydraulic forces in radial blood pumps

Abstract

Cardiovascular diseases are the most frequent cause of death worldwide and one of the most important challenges that health systems across the world have to face. Despite all their merits, conventional medication therapy and heart transplants present, respectively, important limitations of effectiveness and availability. As a result, cardiac mechanical assist devices have become a crucial and widely accepted option. The last decades witnessed the proliferation of a wide range of such devices, including the ReinVAD LVAD, which is a third generation blood pump currently under development by the Helmholtz-Institute for Biomedical Engineering and ReinVAD GmbH. The present work focused on the dynamic analysis of the hydraulic forces acting on impellers of radial blood pumps. This approach was tailored to the ReinVAD LVAD, aiming to support its development. An analytical model of the axial hydraulic forces acting on this pump was developed and implemented in MATLAB® and SIMULINK®, allowing for the estimation of these forces under different scenarios and pump designs. As for the radial hydraulic force, a quick estimation methodology was adopted, which validated the initial assumption that the magnitude of this force would not be very relevant when compared to the one of the axial hydraulic force. Applying this axial hydraulic force model, the two major variables of the pump operation - flow rate and rotation speed - were tested. The resultant axial hydraulic force magnitude was estimated, and its behaviour with changing conditions was discussed. Under a normal operating context, the magnitude of this force was estimated to be in the order of 0 to 1 N. Moreover, it was concluded that this force decreased in magnitude with increasing flows, while it increased in magnitude with increasing rotation speeds. To understand these results, the individual effects that affected the different components of the axial hydraulic resultant force were analysed in detail. The conclusions of this study were found to match the existing literature on similar pumps. An additional validation of the model was performed, comparing its results with available CFD simulations of the ReinVAD LVAD. The predictions of the model and of the CFD simulations regarding the tendencies of the forces were found to be consistent in both simulations.

As doenças cardiovasculares constituem a principal causa de morte no mundo, apresentando-se como um dos mais críticos desafios enfrentados pelos sistemas de saúde. Apesar de todos os seus méritos, a medicação convencional e os transplantes cardíacos apresentam importantes limitações, respetivamente de eficácia e disponibilidade. Estas razões levaram a que as bombas cardíacas se tenham tornado uma opção clínica amplamente aceite e crucialmente importante. Assim, as últimas décadas testemunharam a proliferação de um leque diversificado destes dispositivos, incluindo o ReinVAD LVAD, um dispositivo de terceira geração em desenvolvimento pelo Helmholtz-Institute for Biomedical Engineering e pela ReinVAD GmbH. A presente investigação focou-se numa análise dinâmica das forças hidráulicas que atuam em bombas cardíacas radiais. Esta abordagem foi adaptada ao caso específico do ReinVAD LVAD, de forma a apoiar o seu desenvolvimento. Um modelo analítico das forças axiais hidráulicas que atuam nesta bomba foi assim desenvolvido e implementado em MATLAB® e SIMULINK®, permitindo estimar estas forças em diferentes cenários. Já a força radial hidráulica foi estimada de acordo com uma abordagem simplificada, validando a hipótese de que a sua magnitude é pouco relevante quando comparada com a da força axial hidráulica. Aplicando o modelo desenvolvido para as forças axiais hidráulicas, foram testadas as duas principais variáveis do funcionamento da bomba – fluxo e velocidade de rotação. Estas simulações permitiram estudar a forma como as forças axiais hidráulicas reagem a alterações nestas duas variáveis. Concluiu-se que a magnitude da força resultante aumenta com reduções do fluxo e com aumentos da velocidade de rotação. Adicionalmente, estimou-se que esta magnitude esteja compreendida, para condições normais de funcionamento da bomba, entre 0 e 1 N. Os efeitos individuais e as diferentes componentes da força resultante foram analisados detalhadamente, e as conclusões deste estudo mostraram-se coerentes com a literatura existente. Por último, o modelo foi validado através da comparação dos seus resultados com dados de CFD da ReinVAD LVAD, tendo-se concluído que os resultados eram coerentes em ambas as simulações.