Modélisation du phénomène d’hémolyse au sein d’un dispositif d’assistance ventriculaire gauche (LVAD) - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Modeling of the phenomenon of hemolysis within a left ventricular assistance device (LVAD)

Modélisation du phénomène d’hémolyse au sein d’un dispositif d’assistance ventriculaire gauche (LVAD)

Résumé

In recent years, the idea of using a mechanical pump as a left ventricle assist device is being well developed by several groups. Meanwhile, one of the challenges in this field is the occurrence of biological phenomena such as hemolysis. From an engineering point of view, a solution to this problem is to provide an accurate and efficient numerical method to predict the phenomenon. Hemolysis models are typically based on equivalent scalar stress and exposure time. Meanwhile, they are inaccurate in predicting the absolute values of the hemolytic parameters. The main objective of this thesis is to provide a model that can forecast the phenomena precisely. This work aims to study the impact of considering extensional stresses as the main reason for hemolysis in the three test cases: FDA nozzle benchmark, FDA pump benchmark, and FineHeart innovative blood pump (the ICOMS). For the first two geometries, the standard models provided by FDA, the objective is to validate the numerical methodology. While for the more realistic test case, the FineHeart blood pump, the final goal is to provide some pieces of advice to reduce the hemolysis level.For the FDA nozzle benchmark, firstly, the accuracy of the steady flow simulation was validated by comparing the predicted normalized axial velocity in several sections with the experimental data. For that purpose, the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations in conjunction with three different turbulence models k-ϵ, k-ω, and k-ω SST were employed. As expected, the k-ω SST turbulence model was found to be the most accurate model. In the next step, hemolysis indexes were calculated using different expressions for the equivalent stress. In this case, the impact of scaling up the extensional stresses on predicted hemolysis is studied by adding a coefficient C_n to equivalent stress. It is concluded that the hemolysis index would be in a reliable range of 18
Les défis du développement des pompes à sang incluent l'apparition de phénomènes naturels indésirables tels que l'hémolyse et la thrombose. Une solution potentielle consiste à utiliser des modèles mathématiques pour prédire et éliminer les sources de ces phénomènes, en particulier la modélisation de l'hémolyse pour les dispositifs d'assistance ventriculaire gauche (LVAD). Cette thèse présente une nouvelle méthodologie pour simuler le phénomène d'hémolyse basée sur des mesures expérimentales, avec l'objectif principal d'évaluer le nouveau modèle à l'aide d'outils numériques dans différentes géométries. Trois cas de test ont été examinés : Le cas test de la tuyère FDA, le cas test de la pompe FDA et la pompe à sang FineHeart (ICOMS), dans le but de fournir des recommandations pour réduire l'indice d'hémolyse de la pompe à sang FineHeart.L'étude a commencé par des simulations numériques pour valider le nouveau modèle d'hémolyse pour le cas test de la tuyère FDA. Les simulations ont été effectuées à l'aide de trois modèles turbulents, et le modèle k-ω SST s'est avéré le plus fiable. L'indice d'hémolyse a été calculé en utilisant trois expressions différentes de la contrainte de cisaillement équivalente et les valeurs obtenues ont été comparées aux données expérimentales. Les résultats ont montré que l'expression τ_n était la plus fiable. l'effet de la constante C_n a été étudié dans l'expression de τ_n pour différentes espèces avait un impact significatif sur l'hémolyse, en particulier pour le sang bovin et le sang humain. Enfin, une plage appropriée pour la constante a été déterminée comme étant 18 < C_n < 30 en comparant la courbe obtenue avec du sang bovin à la plage expérimentale de MIH dans trois conditions de fonctionnement différentes.La deuxième partie de l'étude s'est concentrée sur le développement de méthodes numériques pour prédire l'hémodynamique et l'hémolyse du flux sanguin à l'intérieur pompe FDA. Le modèle Power-law a été utilisé avec l'approche eulérienne et la même expression de contrainte de cisaillement équivalente que la première partie de l'étude a été testée.. Les prédictions numériques ont été validées en comparant les résultats CFD aux mesures FDA PIV pour trois conditions opérationnelles. L'indice d'hémolyse a été calculé en utilisant la contrainte équivalente τ_n et s'est avéré fournir des résultats précis malgré les incertitudes expérimentales. L'impact de la constante C_n sur l'hémolyse pour différentes espèces conclu que la plage appropriée pour la constante est 18
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04496309 , version 1 (08-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04496309 , version 1

Citer

Ali Maghouli. Modélisation du phénomène d’hémolyse au sein d’un dispositif d’assistance ventriculaire gauche (LVAD). Mécanique des fluides [physics.class-ph]. HESAM Université, 2023. Français. ⟨NNT : 2023HESAE036⟩. ⟨tel-04496309⟩
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