Modelling the interaction between a blood pump (LVAD) and the intraventricular flow

Abstract

This thesis investigates how a Left Ventricular Assist Device (LVAD) alters intraventricular blood flow using a high-fidelity computational framework that couples ventricular wall deformation, physiological loading, and time-resolved computational fluid dynamics (CFD). Continuous-flow LVADs provide life-sustaining support for patients with advanced heart failure, yet they profoundly reshape ventricular hemodynamics in ways that remain difficult to quantify experimentally. To address this, a multiphysics model was developed that integrates: (1) a lumped-parameter network (LPN) supplying physiological pressure and flow waveforms; (2) a deforming left-ventricular wall represented as an elastic shell driven by LPN-derived pressure–volume dynamics; and (3) a 3D moving-mesh CFD model resolving transient intraventricular flow, including mitral inflow, aortic outflow, and an apical LVAD cannula. Simulation results show that LVAD support substantially modifies intraventricular flow topology. Relative to the healthy ventricle, LVAD assistance reduces diastolic vortex strength, redirects flow pathways toward the apex, increases regions of stagnation, and re-distributes vorticity. Residence-time analysis indicates impaired washout in mid-ventricular regions, while wall-shear-stress patterns reveal elevated shear near the cannula entrance and reduced physiological shear elsewhere. These alterations correspond to clinically relevant effects such as diminished aortic valve opening and the loss of a true isovolumetric phase. Overall, this work provides a detailed analysis of how continuous-flow support reshapes ventricular fluid dynamics. The coupled LPN–FSI–CFD framework advances current computational modelling toward physiologically realistic LVAD–heart interaction and establishes a foundation for future research in pump optimization, suction-event prediction, and patient-specific therapy planning.

Diese Arbeit untersucht den Einfluss eines Linksherzunterstützungssystems (Left Ventricular Assist Device, LVAD) auf den intraventrikulären Blutfluss. Dazu wurde ein hochauflösendes numerisches Modell entwickelt, das die gekoppelte Wechselwirkung zwischen Ventrikeldeformation, physiologischen Druck- und Flussbedingungen sowie zeitaufgelöster Computational Fluid Dynamics (CFD) beschreibt. Kontinuierlich arbeitende LVADs bieten Patient:innen mit schwerer Herzinsuffizienz lebenswichtige Unterstützung, verändern jedoch die ventrikuläre Hämodynamik in experimentell nur schwer erfassbarer Weise. Das entwickelte Multiphysik-Modell umfasst: (1) ein Lumped-Parameter-Netzwerk (LPN) zur Bereitstellung physiologischer Druck- und Flussverläufe; (2) eine sich verformende Ventrikelwand, repräsentiert als elastische Schale mit LPN-gesteuerten Druck-Volumen-Dynamiken; und (3) ein dreidimensionales bewegtes CFD-Gitter, das den transienten intraventrikulären Fluss einschließlich Mitral- und Aortenströmung sowie einer apikalen LVAD-Kanüle erfasst. Die Simulationen zeigen deutliche Veränderungen der Strömungstopologie unter LVAD-Unterstützung. Im Vergleich zum gesunden Ventrikel sinkt die diastolische Wirbelstärke, Strömungspfadlinien verlagern sich zum Apex, und Stagnationszonen nehmen zu. Verweilzeitanalysen weisen auf eine geringere Durchspülung im mittleren Ventrikel hin, während Wand-Schubspannungen erhöhte Werte nahe der Kanüle und verringerte physiologische Schubspannungen an anderen Bereichen zeigen. Diese Befunde stehen im Zusammenhang mit Effekten wie einer reduzierten Aortenklappenöffnung und dem Verlust der isovolumetrischen Phase. Insgesamt liefert diese Arbeit eine kompakte Analyse der LVAD-bedingten Veränderungen der ventrikulären Fluiddynamik. Das gekoppelte LPN–FSI–CFD-Modell stellt einen Schritt hin zu realistischeren Simulationen der LVAD–Herz-Interaktion dar und bildet eine Grundlage für zukünftige Arbeiten zur Optimierung von Pumpendesigns, zur Vorhersage von Saugereignissen und für patient:innenspezifische Therapieplanung.