Влияние режима работы центробежного насоса систем экстракорпоральной мембранной оксигенации на повреждение крови в нем

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Одной из ключевых задач при разработке насосов вспомогательного кровообращения является учет его взаимодействия с компонентами крови и их соответствующее повреждение. Традиционно в инженерной практике принято учитывать только один параметр повреждения (гемолиз или тромбоз). Однако невозможно однозначно утверждать, какой именно параметр, и при каких условиях будет наиболее опасным. Более того, в процессе эксплуатации систем вспомогательного кровообращения в зависимости от состояния пациента входящие в них насосы работают на разных режимах, что сказывается на значениях параметров повреждения крови. В рамках данного исследования проведено численное моделирование работы насоса на разных режимах (по расходу и частоте вращения ротора) и произведена оценка соответствующего изменения величин одновременно двух параметров повреждения крови: гемолиза и тромбоза. Установлено, что в зависимости от рассматриваемого параметра повреждения изменяются и наиболее опасные режимы работы: гемолиз продемонстрировал наибольшую зависимость от частоты вращения (ее увеличение в три раза привело к увеличению гемолиза в 120 раз), а тромбоз — от расхода (его уменьшение в девять раз привело к увеличению параметра тромбоза в шесть раз). Также отмечено, что вне зависимости от учитываемого параметра повреждения наибольший вклад в повреждение крови вносил отвод, однако баланс между вкладом элементов (рабочего колеса и отвода) перераспределялся в зависимости от рассматриваемого параметра повреждения. Полученные результаты продемонстрировали, что для создания безопасного насоса вспомогательного кровообращения в процессе его проектирования и оптимизации необходимо одновременно учитывать и гемолиз, и тромбоз, а также динамику эксплуатации системы.

Об авторах

Мария Сергеевна Исаева

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: mariya.kuleshova.92@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-5954-2320
SPIN-код: 5727-7427

младший научный сотрудник НИИ ЭМ 3.4

Россия, 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1

Алексей Игоревич Петров

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Email: alexeypetrov@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8048-8170
SPIN-код: 7172-0320

кандидат технических наук, доцент кафедры Э 10 «Гидромеханика, гидро-машины и гидропневмоавтоматика»

Россия, 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1

Евгений Петрович Банин

Научно-исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: evgbanin@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7006-2990
SPIN-код: 4142-2918

кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории полимерных материалов Курчатовского комплекса НБИКС-технологий

Россия, 123182, г. Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

Список литературы

  1. Nandakumar D., Bendavid A., Martin P. J. [et al.]. Fabrication of Semiordered Nanopatterned Diamond-like Carbon and Titania Films for Blood Contacting Applications // ACS Applied Materials & Interfaces. 2016. Vol. 8 (11). P. 6802–6810. doi: 10.1021/acsami.5b11614.
  2. Gorbet M. B., Sefton M. V. Biomaterial-associated thrombosis: roles of coagulation factors, complement, platelets and leukocytes // Biomaterials. 2004. Vol. 25 (26). P. 5681–5703. doi: 10.1016/j.biomaterials.2004.01.023.
  3. Gorbet M., Sperling C., Maitz M. F. [et al.]. The blood compatibility challenge. Part 3: Material associated activation of blood cascades and cells // Acta Biomater. 2019. Vol. 94 (1). P. 25–32. doi: 10.1016/j.actbio.2019.06.020.
  4. Mei X., Lu B., Wu P., Zhang L. In vitro study of red blood cell and VWF damage in mechanical circulatory support devices based on blood-shearing platform // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part H. Journal of Engineering in Medicine. 2022 Vol. 236 (6). P. 860–866. doi: 10.1177/09544119221088420.
  5. Nakahara T., Yoshida F. Mechanical effects on rates of hemolysis // J Biomed Mater Res. 1986. Vol. 20 (3). P. 363–374. doi: 10.1002/jbm.820200308.
  6. Yen J. H., Chen S. F., Chern M. K., Lu P. C. The effect of turbulent viscous shear stress on red blood cell hemolysis // International Journal of Artificial Organs. 2014. Vol. 17 (2). P. 178–185. doi: 10.1007/s10047-014-0755-3.
  7. Chan C. H. H., Simmonds M. J., Fraser K. H. Discrete responses of erythrocytes, platelets, and von Willebrand factor to shear // Journal of Biomechanics. 2022. Vol. 130. 110898. doi: 10.1016/j.jbiomech.2021.110898.
  8. Chen Z., Sun A., Wang H. Non-physiological shear stress-induced blood damage in ventricular assist device // Medicine in Novel Technology and Devices. 2019. Vol. 3. 100024. doi: 10.1016/j.medntd.2019.100024.
  9. Köhne I. Haemolysis induced by mechanical circulatory support devices: unsolved problems // Perfusion. 2020. Vol. 35 (6). P. 474–483. doi: 10.1177/0267659120931307.
  10. Боярский Г. Г. Разработка метода проектирования микронасосов для систем поддержки кровообращения: дис. … канд. техн. наук. Москва, 2022. 125 с.
  11. Stulak J. M., Sharma S., Maltais S. Management of pump thrombosis in patients with left ventricular assist devices // American Journal of Cardiovascular Drugs. 2015. Vol. 15 (2). P. 89–94. doi: 10.1007/s40256-014-0102-3. PMID: 25567787.
  12. Najean Y., Dresch C. Physiologie de l'hémolyse // Revue du Praticien. 1965. Vol. 15 (23). P. 2989–2994.
  13. Левтов В. А., Регидер С. А., Шадрина Н. Х. Реология крови. Москва: Медицина, 1982. 269 с.
  14. Baldwin A. C. W. [et al.]. Nonidentical Continuous-Flow Devices for Biventricular Support // Texas Heart Institute Journal. 2017. № 2 (44). P. 141–143. doi: 10.14503/THIJ-16-5878.
  15. Garon A., Farinas M. I. Fast three-dimensional numerical hemolysis approximation // Artificial Organs. 2004. Vol. 28 (11). P. 1016–1025. doi: 10.1111/j.1525-1594.2004.00026.x.
  16. Mantegazza A., Tobin N., Manning K. B., Craven B. A. Examining the universality of the hemolysis power law model from simulations of the FDA nozzle using calibrated model coefficients // Biomech Model Mechanobiol. 2023. Vol. 22 (2). P. 433–451. doi: 10.1007/s10237-022-01655-5.
  17. Gu L., Smith W. Evaluation of computational models for hemolysis estimation // ASAIO Journal. 2005. Vol. 51 (3). P. 202–207. doi: 10.1097/01.MAT.0000161939.29905.93.
  18. Giersiepen M., Wurzinger L. J., Opitz R., Reul H. Estimation of shear stress-related blood damage in heart valve prostheses--in vitro comparison of 25 aortic valves // International Journal of Artificial Organs. 1990. Vol. 13 (5). P. 300–306.
  19. Asakura H. [Pathophysiology and classification of thrombosis] // Nihon Rinsho. Japanese Journal of Clinical Medicine. 2014. Vol. 72 (7). P. 1184–1190.
  20. Taylor J. O., Meyer R. S., Deutsch S., Manning K. B. Development of a computational model for macroscopic predictions of device-induced thrombosis // Biomech Model Mechanobiol. 2016. Vol. 15 (6). P. 1713–1731. doi: 10.1007/s10237-016-0793-2.
  21. Wenyu J., Huanbao L., Ping N. [et al.]. Design and preparation of an artificial vascular scaffold with internal surface modification // Artificial Organs. 2024. Vol. 48. doi: 10.1111/aor.14707.
  22. Dai W. F., Wu P., Liu G. M. A two-phase flow approach for modeling blood stasis and estimating the thrombosis potential of a ventricular assist device // International Journal of Artificial Organs. 2021. Vol. 44 (7). P. 471–480. doi: 10.1177/0391398820975405.
  23. Boyd J., Buick J. M., Green S. Analysis of the Casson and Carreau-Yasuda non-Newtonian blood models in steady and oscillatory flows using the lattice Boltzmann method // Physics of Fluids (1994-present). 2007. Vol. 19, № 9. P. 093103. doi: 10.1063/1.2772250.
  24. Bird R. B., Armstrong R. C., Hassager O. Dynamics of polymeric liquids. In 2 vols. Vol. 1. Fluid mechanics. 2nd ed. United States, 1987. 672 p.
  25. Bludszuweit C. Model for a general mechanical blood damage prediction // Artificial Organs. 1995. Vol. 19 (7). P. 583-589. doi: 10.1111/j.1525-1594.1995.tb02385.x.
  26. Blum C., Gross-Hardt S., Steinseifer U., Neidlin M. An Accelerated Thrombosis Model for Computational Fluid Dynamics Simulations in Rotary Blood Pumps // Cardiovascular Engineering and Technology. 2022. Vol. 13. doi: 10.1007/s13239-021-00606-y.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».