Numerische Strömungsmechanik (CFD) zur Optimierung von ventrikulären Unterstützungssystemen

Der Einsatz von computergestütztem Engineering (CAE) verringert den Arbeitsaufwand erheblich und gewährleistet gleichzeitig die Zuverlässigkeit und die Verbesserung der Konstruktion medizintechnischer Geräte. Die technische Simulation ist inzwischen weithin anerkannt und wird von Regulierungsbehörden, Herstellern und Zulieferern in aller Welt eingesetzt. Ein Beispiel dafür ist ein Workshop über Studien zur Blutschädigung, der von der U.S. Food & Drug Administration (FDA) organisiert wurde. Dabei wurde eine Blutpumpe modelliert, um bewährte Verfahren festzulegen und den Einsatz von Simulationen bei der Geräteentwicklung zu fördern. Mit zunehmender Transparenz und Akzeptanz steht CAE heute bei der Entwicklung medizinischer Geräte an der Spitze.

In diesem Whitepaper werden die Entwicklungen bei der durch CFD- und Optimierungstechniken unterstützten Konstruktion einer Blutpumpe am Shonan Center des japanischen Unternehmens Terumo erörtert.

Anwendung von CFD bei der Entwicklung von Blutpumpen

Ein ventrikuläres Unterstützungssystem (VAD) ist eine mechanische Pumpe, die den Blutfluss erhöht, um eine Fehlfunktion der Herzkammer auszugleichen und die Funktion eines versagenden Herzens zu übernehmen. Während des VAD-Entwicklungsprozesses ist die computergestützte Modellierung ein effizientes Tool, um den bestmöglichen Konstruktionsentwurf für die Blutpumpe, der Schlüsselkomponente, zu ermitteln, noch bevor ein Prototyp gebaut wird. Die Nutzung der numerischen Strömungsmechanik (CFD) erleichtert die Analyse und Optimierung des Blutflusses und der Pumpe und ermöglicht zugleich quantitative Vorhersagen zur Hämolyse, Rezirkulation und zu Blutschäden.

Terumo führte CFD vor etwa 15 Jahren ein und Takehisa Mori war ein wichtiges Mitglied des Forschungsteams der F&E-Abteilung. Mori war der Erste, der CFD in seinem Unternehmen einsetzte. Bei Terumo kommt die numerische Strömungsmechanik im Bereich kardiovaskulärer chirurgischer Geräte zum Einsatz. Vorteile der Einführung eines auf numerischer Strömungsmechanik basierenden Tools zur Konstruktionsuntersuchung sind eine höhere Effizienz bei der Entwicklung von Blutpumpen, eine verbesserte Konstruktion und eine schnellere Marktreife der Produkte.

Lesen Sie das Whitepaper, um zu erfahren, wie Terumo CFD in seine tägliche Praxis integriert hat.

Ergebnisse der Nutzung von Simcenter STAR-CCM+

Bisher wurden bei der Konstruktion von Blutpumpen Dutzende von Anfangsmodellen mit Hilfe von CFD analysiert und einige Modelle als Kandidaten identifiziert. Anschließend folgten eine Bewertung der Pumpen und blutbezogene Experimente. Dieser Prozess wurde wiederholt, bis ein endgültiger Prototyp vorlag. Die Entwicklung eines einzelnen Produkts dauerte Jahre.

Mit Simcenter STAR-CCM+ und der Zusatzlösung Intelligent Design Exploration war Terumo in der Lage, die Entwicklungszeit für Blutpumpen erheblich zu verkürzen und zugleich schneller bessere Konstruktionen zu realisieren. Der Einstieg in diesen Optimierungsprozess erforderte die Simulation einer Grundkonstruktion in Simcenter STAR-CCM+, die mit experimentellen Daten validiert und dann optimiert werden konnte. Die Gesamtzahl der Analysefälle aus dem Optimierungsprozess betrug 102, und die für die Berechnungen benötigte Zeit belief sich auf etwa sechs Tage. Innerhalb einer Woche wurde die bestmögliche Konstruktion ermittelt.

Durch den Einsatz von Simcenter STAR-CCM+ kann Terumo nun schneller bessere Konstruktionen entwickeln und „durch die Gesundheitsversorgung einen Beitrag für die Gesellschaft leisten.“