20241

۲۰۲۴۱

طراحي و مدلسازي دستگاه كمك قلبي بالن-پمپ خارج آئورتي

دكترا تخصصي

بيومكانيك

۱۳۹۲

۱۳۹۷/۷/۴

دكتر مهدي نويدبخش

دكتر منصور عليزاده

مكانيك

هدف رساله حاضر طراحي، مدل¬سازي و شبيه¬سازي يك نوع خاص از دستگاه كمك قلبي خارج آئورتي با استفاده از روش تعامل سيال-جامد (FSI) است. اين دستگاه كمك قلبي در بيماراني كاشت مي¬شود كه داراي بطن ضعيف و با بازدهي پايين جهت پمپاژ خون به سيستم گردش خوني به صورت نرمال مي-باشند. قسمتي از اين دستگاه كه در تماس با سيستم قلبي قرار دارد، متشكل از بالن¬هايي است كه اطراف آئورت صعودي و يا نزولي قرار مي¬گيرند و به صورت متناوب با اعمال فشار به وسيله واحد پمپ و كنترل دستگاه پر و خالي مي¬شوند. اين پر و خالي شدن بالن¬ها به ترتيب در فاز¬هاي دياستول و سيستول باعث افزايش انرژي جريان خون بيمار و در نتيجه پمپاژ بهتر خون به سمت سيستم گردش خوني مي-شود. مدل شبكه آئورتي واقعي همراه با انشعابات آن (رگ¬هاي براكيوسفاليك، كاروتيد، سابكلاوين و كرونرها) از طريق عكس¬هاي پزشكي جهت مدل¬سازي استخراج مي¬شوند. بالن¬هاي دستگاه كمك قلبي از جنس پليورتان، بافت رگ آئورت و سيليكون رابر انتخاب مي¬شوند. شبيه¬سازي براي شبكه آئورتي با فرض الاستيك خطي و هم¬چنين هايپرالاستيك غيرخطي و براي بالن¬ها با فرض الاستيك خطي انجام مي-شود. سيال خون به صورت يك سيال ويسكوز و نيوتني و كمي قابل تراكم و با فرض¬هاي آرام و آشفته در نظر گرفته مي¬شود. جهت داشتن مدلي واقعي براي خون در رگ¬هاي كرونر، شبيه¬سازي براي فرض سيال غير نيوتني نيز تكرار مي¬شود. نتايج نشان مي¬دهند كه دستگاه مورد نطر مي¬تواند تا 60% انرژي خون را در فاز دياستول افزايش دهد و قابليت جابجايي 25 تا 32 ميلي¬ليتر خون در هر سيكل را دارا مي¬باشد. دستگاه كمك قلبي رساله حاضر باعث افزايش دبي خون به اندازه 2.5 برابر نسبت به حالت بيمار بدون دستگاه در رگ¬هاي كرونر در بازه خاصي از سيكل قلبي مي¬شود كه اين منجر به خونرساني بهتر به بافت خود قلب مي¬شود. اين مقدار افزايش دبي در رگ¬هاي كرونر بيشتر از افزايش آن به وسيله ديگر دستگاه-هاي كمك قلبي رايج مانند دستگاه كمك قلبي داخل آئورتي مي¬باشد. استفاده از دستگاه كمك قلبي چند بالنه جهت پمپاژ خون به صورت پيوسته يا به اصطلاح پريستالتيك تاثير معناداري در كاهش تنش¬هاي وارده به ديواره آئورت و همچنين نيروي وارد بر دريچه آئورت نسبت به استفاده از دستگاه كمك قلبي تك بالنه دارد، هرچند كه از بازدهي كم¬تري نسبت به آن برخوردار است. با بررسي تاثير اين دستگاه بر روي خواص مكانيكي بافت آئورت در طول زمان، به وسيله ساخت نمونه آزمايشگاهي آن، مشخص شد كه دستگاه كمك قلبي رساله حاضر اثر منفي قابل ملاحظه¬اي بر بافت آئورت ندارد.

1397/09/27

Design and Modeling of a Balloon Pump Extra-Aortic Cardiac Assist Device

9/26/2019 12:00:00 AM

The aim of this study is to design, model and simulate of a specific type of extra-aortic cardiac assist device using fluid-structure interaction. The current device is implanted in the patients’ hearts suffering from the acute ventricular heart failure. The balloon part of this device is surrounding the ascending/descending aorta and can inflate and deflate during diastolic and systolic phase of the heart using a specific gas pumped by a micropump. These periodic inflations and deflations of the balloon/balloons can increase the blood energy which consequently lead to better perfusion of blood circulatory system. To do so, the realistic three-dimensional model of aorta network accompanied with its branches (Brachiocephalic, Carotid, Subclavian and Coronaries) is derived using CT medical images. The balloons of the device are selected from polyurethane, aorta-like and silicone rubber materials. The simulation is performed for the linear and non-linear hyperelastic assumptions for the aorta tissue as well as linear elastic material for the balloons. The blood is assumed to be a viscous, Newtonian and slightly compressible flow and is modeled as both laminar and turbulent flow. In order to have a realistic model of the blood flow in the coronaries, the simulation is redone using non-Newtonian assumption. Results show that the device can increase the energy of the blood by the amount of 60% in diastole and has the capability of increase in blood flow by the amount of 25 to 32 ml within a heart cycle. Furthermore, it increases the coronaries’ blood flow by 2.5 fold compared to the patient’s heart without the cardiac assist device which means the better perfusion of these arteries. It is worth mentioning that this increase in coronaries’ blood flow by the current device is more than that of the common cardiac assist devices like IABP. The multi-balloon cardiac assist device has the significant effect on the reduction of mechanical stresses of the aorta tissue as well as aortic valve force in comparison with the case of using single-balloon cardiac assist device, although its efficiency is less than the single- balloon one. The effect of this device on the mechanical properties of the aorta is investigated by fabricating a prototype of the current device. The results reveal that the periodic inflations and deflations of this device do not have a considerable negative effect on the mechanical properties of the aorta.