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

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

• Auteur / Autrice : Ali Maghouli
• Direction : Annie-Claude Bayeul laine, Olivier Coutier-Delgosha, Sophie Simonet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides (AM)
• Date : Soutenance le 25/05/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMFL Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille - Laboratoire de mécanique des fluides de Lille - Kampé de Fériet
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Paris, ENSAM
• Jury : Président / Présidente : Miguel A. Fernández
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie-Claude Bayeul laine, Olivier Coutier-Delgosha, Sophie Simonet, Regiane Fortes-Patella, Stéphane Garrigue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Miguel A. Fernández, Regiane Fortes-Patella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hémolyse

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Dynamique des fluides computationnelle

Hémolyse

Dispositifs d'assistance ventriculaire gauche

Simulation numérique

Computational Fluid Dynamics

Hemolysis

Left Ventricular Assist Devices

Numerical Simulation

Résumé

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<C_n<27.Des simulations en régime permanent et transitoire pour prédire les aspects hémodynamiques et hémolytiques de la pompe à sang FineHeart (ICOMS) ont été menées, visant à identifier les sources d'hémolyse dans l'appareil. Les simulations ont été validées sur la base de tests de boucle de corrélation et de mesures PIV, et les résultats ont montré un bon accord entre les données numériques et expérimentales. Le modèle d'hémolyse validé a été ajouté aux simulations et les paramètres hémolytiques ont été calculés, comparés et validés avec les données FineHeart pour deux configurations de fonctionnement de la pompe. Les sources d'hémolyse comme des espaces entre les pièces rotatives et fixes et les bords d'attaque et de fuite des pales ont été identifiées. quelques suggestions pour améliorer la conception des pompes à sang axiales sur la base de ces résultats ont également été fournis.

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<C_n<30. Moreover, the impact of different C_n values have been studied for several species. Comparing the results, the C_n coefficient can make a wide range of hemolysis, especially for higher values of it.For the FDA pump benchmark, transient simulations were conducted with the k-ω SST as the turbulence model. In the first step, hemodynamic parameters, velocity, and pressure were validated by comparing CFD results with FDA experimental data. Secondly, the hemolysis power-law model was added to the simulations using the same expression for the equivalent stress. Comparisons with experimental measurements have indicated that the new methodology provides accurate hemolysis predictions. In addition, the impact of C_n is studied and it is shown that the hemolysis index is highly impacted by the C_n value, and 18<C_n<27 is found to be an appropriate range.Finally, the study conducted transient simulations using identical configurations for FineHeart innovative blood pump, the ICOMS. Hemodynamic parameters, such as velocity and pressure, were compared and validated using two types of experimental data provided by the company: correlation loop tests and particle image velocimetry tests. Subsequently, predictions of hemolysis were compared and verified using in vitro data. The study presents and discusses the local values of hemolysis levels, which allowed for the identification of suggestions to decrease hemolytic levels for the blood pump.