Μηχανική Υποστήριξη Καρδιάς

Abstract

Η ανθρώπινη καρδιά, συμπεριφέρεται ως μια υδραυλική αντλία που η λειτουργία της περιλαμβάνει κυκλικές εναλλαγές πίεσης και όγκου. Το κυκλοφορικό σύστημα, είναι ένα αυτορρυθμιζόμενο υδραυλικό σύστημα, στο οποίο η παροχή της αντλίας (καρδιά) μεταβάλλεται έτσι, ώστε η πίεση του μέσου (αίμα) στην έξοδο (αορτή) να παραμένει σταθερή. Στην εργασία αυτή αρχικά εξετάζεται η φυσιολογία της καρδιάς, η λειτουργία της ως αντλίας, αλλά και βασικά στοιχεία αιμοδυναμικής. Στην συνέχεια εξετάζεται η παθοφυσιολογία της καρδιακής ανεπάρκειας, οι μορφές της και τα αίτια της. Η συνδρομή της Μηχανολογίας στο πρόβλημα της πάσχουσας καρδιάς, οδήγησε στην ανάπτυξη διαφόρων τύπων συσκευών υποστήριξης της κυκλοφορίας. Παρουσιάζουμε αναλυτικά όλα τα είδη των συσκευών αυτών, από τον ενδαορτική αντλία αντιώθησης με ασκό, τις σφυγμικές και μη σφυγμικές, συνεχούς ροής αντλίες, έως και τις ολικά εμφυτεύσιμες τεχνητές καρδιές. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στα υλικά κατασκευής των αντλιών (βιο-υλικά) και στην σπουδαιότητα τους. Στο τελευταίο κεφάλαιο, επικεντρωνόμαστε στις περιστροφικές φυγόκεντρες αντλίες, με πτερωτές αξονικής, μικτής και ακτινικής ροής. Αναζητήσαμε στην βιβλιογραφία και παρουσιάσαμε αναφορές που παρουσιάζουν την υπολογιστική δυναμική των ρευστών (CFD), μια αριθμητική μέθοδο υπολογισμού και σχεδιασμού αντλιών. Παρουσιάσαμε επίσης πειραματικές αντλίες, αλλά και καινοτόμες ιδέες, που κύριο στόχο έχουν την βελτίωση σχεδιασμού των αντλιών, έτσι ώστε να μειωθούν σημαντικά τα κυριότερα προβλήματα που παρουσιάζουν οι περιστροφικές αντλίες: την δημιουργία θρόμβων και την αιμόλυση.

Circulatory System is a self-regulatory hydraulic system, in which the supply of the pump (heart) is changed so that the pressure of the medium (blood) in the output (aorta) remains constant. In this study, at first we examined the physiology of the heart, it’s operation as a pump, but also haemodynamic basics. Then, we examined the pathophysiologic state of heart failure, it’s forms and causes. The contribution of Mechanical Engineering to the problem of heart failure, led to the development of various types of circulation assist devices. We introduced all kinds of devices in detail, from the inta aortic balloon pump, pulsatile pumps, non-pulsatile continuous flow pumps, up to the implantable total artificial hearts. Special reference is made to the pump construction materials (bio-materials) and their importance. In the last chapter, we focus on the rotary turbo pumps, with axial- flow, mixed-flow and centrifugal type impellers. We looked in the bibliography and have presented reports referring to computational fluid dynamics (CFD), a numerical method of calculation and design of pumps. We have also presented experimental pumps and innovative ideas that main objective has been to improve the design of the pumps, in order to significantly reduce the main problems of the rotary pumps: the thrombus formation and haemolysis.