A Review of Hemolysis Prediction Models for Computational Fluid Dynamics

Abstract

Flow-induced hemolysis is a crucial issue for many biomedical applications; in particular, it is an essential issue for the development of blood-transporting devices such as left ventricular assist devices, and other types of blood pumps. In order to estimate red blood cell (RBC) damage in blood flows, many models have been proposed in the past. Most models have been validated by their respective authors. However, the accuracy and the validity range of these models remains unclear. In this work, the most established hemolysis models compatible with computational fluid dynamics of full-scale devices are described and assessed by comparing two selected reference experiments: a simple rheometric flow and a more complex hemodialytic flow through a needle. The quantitative comparisons show very large deviations concerning hemolysis predictions, depending on the model and model parameter. In light of the current results, two simple power-law models deliver the best compromise between computational efficiency and obtained accuracy. Finally, hemolysis has been computed in an axial blood pump. The reconstructed geometry of a HeartMate II shows that hemolysis occurs mainly at the tip and leading edge of the rotor blades, as well as at the leading edge of the diffusor vanes.

Modelagem matemática da fluidodinâmica não-newtoniana e bifásica simplificada da hemólise induzida mecanicamente em sistemas de bombeamento centrífugo de sangue

“…É importante notar que esta classe de modelos, conhecida por lei de potên-cias (no inglês, power-law equation models), consiste basicamente em um ajuste empírico sob condições de escoamento laminar com campo de tensões constante. Esses modelos têm sido amplamente utilizados, principalmente a equação (1.2), nas simulações computacionais, embora sejam bastante observados resultados superestimados em, no mínimo, uma ordem de grandeza (De Wachter e Verdonck, (Arora et al, 2004), , (Behbahani et al, 2009), (Yu et al, 2017). Apesar disto, o seu uso ainda tem sido considerado pelos engenheiros para tarefas de comparação e otimização de projetos (Thamsen et al, 2015).…”

“…Assim, pode-se obter diferentes resultados de hemólise para uma determinada configuração de dispositivo estudada em simulações distintas com um mesmo modelo. A implementação de amostragem aleatória de trajetórias dentro de um domínio pode reduzir este problema, mas não o resolve por completo (Yu et al, 2017).…”

“…De maneira geral, a hemólise induzida por trauma mecânico é um processo complexo para o qual ainda se almeja um modelo matemático que possa auxiliar eficazmente durante as etapas de desenvolvimento e otimização de dispositivos médicos (Sohrabi e Liu, 2016), (Heck et al, 2017), (Yu et al, 2017). …”

“…Apesar de haver complicações em dispositivos cardiovasculares com maior incidência e até mesmo maior índice de óbitos decorrentes como, por exemplo, a trombogênese (Massicotte et al, 2017), a hemólise induzida por trauma mecânico é uma das principais e mais frequentes complicações em dispositivos de assistência circulatória (Mozafari et al, 2017), (O'Brien et al, 2017), (Yu et al, 2017).…”

“…Contudo, conforme explanado em artigo de revisão bastante recente 14 (Yu et al, 2017), para que um modelo matemático de hemólise consiga fazer predições quantitativamente corretas, deve levar em conta alguns aspectos importantes sob o ponto de vista biológico. Os aspectos mencionados pelos autores supracitados são os seguintes:…”