[논문]수치해석을 통한 ECMO용 원심형 혈액 펌프 설계

최신화; 허남건; 강성원; 김원정; 강신형

doi:10.6112/kscfe.2016.21.1.103

수치해석을 통한 ECMO용 원심형 혈액 펌프 설계
DESIGN OF A CENTRIFUGAL BLOOD PUMP FOR ECMO DEVICE THROUGH NUMERICAL ANALYSES 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.21 no.1 = no.72, 2016년, pp.103 - 109

최신화 (서강대학교 대학원 기계공학과) , 허남건 (서강대학교 다중현상 CFD 연구센터(ERC)) , (서강대학교 다중현상 CFD 연구센터(ERC)) , 강성원 (서강대학교 기계공학과) , 김원정 (서강대학교 기계공학과) , 강신형 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

With the rapid increase in the number of patients with cardiopulmonary diseases, more cardiopulmonary circulatory assist devices are also needed. These devices can be employed when heart and/or lung function poorly. Due to the critical role they take, these devices have to be designed optimally from both mechanical and biomechanical aspects. This paper presents the CFD results of a baseline model of a centrifugal blood pump for the ECMO condition. The details of flow characteristics of the baseline model together with the performance curves and the modified index of hemolysis(MIH) are investigated. Then, the geometry of baseline impeller and the volute are modified in order to improve the biomechanical performance and reduce the MIH value. The numerical simulations of two cases represent that when impeller radius and prime volume decrease the MIH value also decreases. In addition, the modified geometry shows more uniform pressure distribution inside the volute. The findings provide valuable information for further modification and improvement of centrifugal blood pumps from both mechanical and biomechanical aspects.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 두 가지의 prototype 펌프를 설계하고 펌프의 볼륨과 임펠러 크기의 차이가 펌프의 기계적 성능에 미치는 영향의 경향성을 알아보기 위하여 다양한 유량(1 ~ 9L/min)과 회전수(1000 ~ 5000 rpm)에 대하여 정상 CFD 시뮬레이션을 수행하여 성능 곡선을 작성하였다. 또한, 특정 작동 조건인 ECMO 조건(유량 = 5 L/min, 압력차 = 53 kPa)에서의 시간에 따른 용혈 및 유동 특성을 연구하기 위하여 비정상 CFD 시뮬레이션을 수행하였다.

제안 방법

기본 모델을 토대로 Prototype 1을 설계하였고 임펠러 및 전체 펌프의 크기가 펌프의 수두 또는 용혈 등에 미치는 영향을 조사하기 위하여 회전수를 증가시켜 임펠러 및 전체 펌프의 크기를 각각 25%, 21% 감소시켜서 Prototype 2를 설계하였다. 두 가지 Prototype 펌프의 정상 CFD 시뮬레이션(steady state CFD simulation)과 비정상 CFD 시뮬레이션(unsteady state CFD simulation)을 통해서 임펠러의 크기 및 펌프의 부피가 펌프 내 유동장과 기계적인 성능, 생체 역학적 인자에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 이렇게 얻은 결과는 추후에 설계할 새로운 Prototype 펌프의 전체 펌프의 부피 및 임펠러의 크기를 결정하는데 기초 자료로 활용하고자 한다.

이론/모형

또한, 혈액은 비뉴턴 유체이므로 혈액의 점성을 구현하기 위하여 Carreau model이 사용되었다[4]. 이 수식은 아래와 같다.
임펠러로부터 고속으로 토출된 유체의 속도에너지를 압력에너지로 변환하는 나선형 형태의 케이싱이 볼루트이다. 본 논문에서는 Pump handbook[3]을 참고하여 볼루트의 곡선설계 방법 중 Stepanoff의 CMV 기법을 적용하였다. CMV 기법은볼루트 내부의 속도가 일정하다고 가정하는 방법으로 그 수식은 아래와 같다(Fig.
) 난류를 가정해야한다. 본 해석에서는 난류효과를 고려하기 위하여 standard k-∊ turbulence model을 사용하였다.

성능/효과

해석 결과 Prototype 2가 Prototype 1에 비해 용혈이 적게 일어남을 알 수 있는데 이는 곧 적혈구가 파괴되는 정도가 적은 것을 의미한다. 위의 용혈해석 결과를 토대로 임펠러의 회전수보다 펌프의 볼륨과 임펠러의 크기가 용혈에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

후속연구

두 가지 Prototype 펌프의 정상 CFD 시뮬레이션(steady state CFD simulation)과 비정상 CFD 시뮬레이션(unsteady state CFD simulation)을 통해서 임펠러의 크기 및 펌프의 부피가 펌프 내 유동장과 기계적인 성능, 생체 역학적 인자에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 이렇게 얻은 결과는 추후에 설계할 새로운 Prototype 펌프의 전체 펌프의 부피 및 임펠러의 크기를 결정하는데 기초 자료로 활용하고자 한다.

참고문헌 (9)

1991, O'Conner, L., "Engineering a replacement of human heart," Mech Eng, Vol.1, pp.37-43.
2015, Chang, M., Hur, N., Moshfeghi, M., Kang, S., Kim, W. and Kang, S.H., "A Numerical Study on Mechanical Performance and Hemolysis for Different Type of Centrifugal Blood Pumps," IMECE 2015.
1986, Karassik, I.J. and Messina, J.P., "Pump hand book second edition," McGraw-Hill.
1972, Carreau, P.J., "Rheological Equations from Molecular Network Theories," Journal of Rheology, Vol.16, pp.99-127.

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1986, Wurzinger, L.J., Opitz, R. and Eckstein, H., "Mechanical Bloodtrauma. An overview," Angeiologie, Vol.38, pp.81-97.
1990, Giersiepen, M. and Wurzinger, L.J., "Estimation of Shear Stress-related Blood Damage in Heart Valve Prosteses-In Vitro Comparison of 25 Aortic Valves," Artificial Organs, Vol.13, pp.300-306.

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2004, Garon, A. and Farinas, M.I., "Fast Three-dimensional Numerical Hemolysis Approximation," Artificial Organs, Vol.28, pp.1016-1025.

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2006, Farinas, M.I., Garon, A., Lacasse, D. and N'dri, D., "Asymptotically Consistent Numerical Approximation of Hemolysis," Journal of Biomechanical Engineering, Vol.128, pp.688-696.

상세보기
2015, Chang, M., Hur, N., Moshfeghi, M., Kang, S., Kim, W. and Kang, S.H., "Investigation on Mechanical and Bio-mechanical Performance of a Centrifugal Blood Pump," Journal of Computational Fluids Engineering, Vol.20, pp.88-95.

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