Applicability of Classical Axial Turbomachinery Design Methods to Left Ventricular Assist Devices

Abstract

Der anhaltende Mangel an Spenderorganen schränkt die Herztransplantation als Therapieoption für Patienten mit fortgeschrittener Herzinsuffizienz weiterhin ein. Daher haben sich linksventrikuläre Unterstützungssysteme (LVADs) auf Basis rotierender Blutpumpen als etablierte Therapie etabliert. Trotz ihres klinischen Erfolgs sind weitere Verbesserungen der hydraulischen Effizienz, der Hämokompatibilität und der Miniaturisierung erforderlich. Da sich klinisch etablierte LVADs nicht nur hinsichtlich ihres hydraulischen Designs, sondern auch bezüglich Lagerung, Werkstoffen und peripheren Komponenten unterscheiden, lässt sich der Einfluss des hydraulischen Designs nur schwer isolieren. Bisherige Arbeiten zeigten einen engen Zusammenhang zwischen hydraulischen Verlusten und Blutschädigung. Daher ist eine systematische Untersuchung hydraulischer Konzepte und ihrer Verlustmechanismen erforderlich, um das geeignetste Hydraulikkonzept für implantierbare axiale Blutpumpen zu ermitteln. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Anwendbarkeit klassischer Konstruktionsmethoden axialer Turbomaschinen auf implantierbare magnetisch gelagerte Blutpumpen. Hierzu wurde eine para-metrische Auslegungsmethodik auf Basis der Ähnlichkeitstheorie entwickelt, mit der unterschiedliche Pumpenkonzepte mit identischen klinischen Betriebsanforderungen erzeugt wurden. Drei durch Laufzahl und Durchmesserzahl entlang der Cordier-Linie definierte Konzepte wurden mittels numerischer Strömungssimulationen (CFD) hinsichtlich hydraulischer Leistungsfähigkeit und Hämokompatibilität untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass klassische Auslegungsmethoden eine geeignete Grundlage für die Vorauslegung implantierbarer axialer Blutpumpen darstellen, jedoch eine CFD-gestützte Optimierung erfordern. Das Konzept mit mittlerer Laufzahl und dimensionsloser Durchmesserzahl erzielte durch eine ausgewogene Belastungsverteilung zwischen Rotor und Diffusor die beste hydraulische Performance. Eine erhöhte Rotorbelastung in der kleineren Pumpe beziehungsweise Diffusorbelastung in der größeren Pumpe führte zu höheren Verlusten. Niedrigere Drehzahlen verringerten die Blutschädigung, wobei sich ein möglicher Zielkonflikt zwischen hydraulischem Wirkungsgrad und Hämokompatibilität abzeichnete. Die Ergebnisse bilden die Grundlage zukünftiger hydraulischer Auslegungsrichtlinien für magnetgelagerte rotierende Blutpumpen.

The ongoing shortage of donor organs continues to limit heart transplantation as a treatment option for patients suffering from advanced heart failure. Consequently, left ventricular assist devices (LVADs) based on rotary blood pumps have become an established therapy. Despite their clinical success, further improvements in pump efficiency, hemocompatibility and pump miniaturization remain essential to improve long-term outcomes and improve treatment to smaller patient populations. Since clinically established LVADs differ not only in their hydraulic design but also in bearing technology, materials and peripheral components, the influence of the hydraulic pump design itself remains difficult to isolate. Previous studies have further demonstrated a strong correlation between hydraulic losses and blood damage. Consequently, a systematic investigation of hydraulic designs and their associated loss mechanisms is essential to identify the most suitable hydraulic concept for implantable axial blood pumps. The objective of this thesis was to investigate the applicability of classical axial turbomachinery design methods to implantable magnetically levitated blood pumps by systematically analyzing how different hydraulic concepts influence flow behavior and hydraulic loss mechanisms. A parametric design methodology based on classical similarity theory was developed to automatically generate different pump concepts with identical clinical operating requirements. Three concepts, defined by their dimensionless speed number and diameter number along the Cordier line, were evaluated using computational fluid dynamics (CFD) to assess their hydraulic performance and hemocompatibility. The results demonstrate that classical turbomachinery design methods provide a suitable basis for the preliminary design of implantable axial blood pumps but require CFD based optimization. The pump with intermediate speed number and diameter number achieved the most suitable hydraulic concept through balanced rotor and diffuser loading. In contrast, excessive rotor loading in the smaller pump and excessive diffuser loading in the larger pump increased rotor and diffuser losses. Lower rotational speeds further reduced blood damage, highlighting a trade off between pump efficiency and hemocompatibility. These findings provide a systematic basis for future hydraulic design guidelines for magnetically levitated rotary blood pumps.