Hydraulic tests of a new centrifugal pump with shrouded impeller for extracorporeal membrane oxygenation systems

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: The problem of creating a centrifugal pump for extracorporeal membrane oxygenation systems (hereinafter referred to as ECMO), optimal in terms of its hydraulic characteristics and its effect on blood, still remains relevant. This work is a continuation of the authors’ previous research in this area and contains the results of hydraulic tests of prototypes of the new ECMO pump with the closed impeller on water and water-glycerin mixtures, which imitate the viscous properties of blood.

AIM: Determination and comparison the head-flow characteristics of the new ECMO pump with the closed impeller when operating on water and water-glycerin mixtures.

METHODS: A series of hydraulic tests of pump prototypes, manufactured using different technologies, was carried out. Three liquids were considered as the working fluid during the tests: process water at a temperature of 20 °C and two water-glycerin mixtures at a temperature of 20 °C with different ratios of water and glycerin (to obtain different viscosities).

RESULTS: The pressure characteristics of pump prototypes, manufactured using different technologies, were obtained using water and water-glycerin mixtures. Tests with use of water showed that the deviation of the calculated and experimental characteristics from each other does not exceed 4%; the deviation of the characteristics of prototypes, manufactured using different technologies, is on average 1.5%. Tests with use of a water-glycerin mixture showed that the deviation of the characteristics from those obtained with use of water is on average 6%, the largest deviation is observed at the edges of the characteristics. In addition, when tested with use of a water-glycerin mixture, the deviation of the characteristics of prototypes, manufactures using different technologies, is about 4%, which is higher than when tested with use of water.

CONCLUSION: The results obtained allow us to conclude that the numerical model used in previous work can reliably predict the performance of the pump with use of water. The pressure characteristics of water and a water-glycerin mixture differ from each other, which must be taken into account when assessing the operating parameters of such pumps. The influence of manufacturing technology on the performance characteristics of the pump is higher when it operates with use of a liquid more viscous than water, e.g. on a water-glycerin mixture.

About the authors

Maria S. Isaeva

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: mariya.kuleshova.92@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-5954-2320

Junior Researcher of the EM 3.4 Research Institute of Power Engineering

Russian Federation, Moscow

Alexey I. Petrov

Bauman Moscow State Technical University

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

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the E10 “Hydromechanics, Hydraulic Machines and Hydropneumatic Automation” Department

Russian Federation, Moscow

Evgeny P. Banin

National Research Center “Kurchatov Institute”

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

Cand. Sci. (Engineering), Researcher of the Polymer Materials Laboratory of the Kurchatov Complex of NBICS Technologies

Russian Federation, Moscow

References

  1. Salfity HV, Bottiger B, Cooter M, et al. Transfusion Requirements during Lung Transplantation: Elective VA ECMO vs. Off-Pump. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 2021;40(4). doi: 10.1016/j.healun.2021.01.932
  2. Echieh C, Hooker R. Extracorporeal Membrane Oxygenation (ECMO) Use in Heart Transplantation. Intechopen; 2024. doi: 10.5772/intechopen.114126
  3. Crowley J. ECMO in the Trauma Patient: A Practical Approach. In: Degiannis, E., Doll, D., Velmahos, G.C. (eds) Penetrating Trauma. Cham: Springer; 2023. doi: 10.1007/978-3-031-47006-6_14
  4. Alibrahim O, Heard CMB. ECMO for the Neonate. In: Lerman, J. (eds) Neonatal Anesthesia. Cham: Springer; 2023. doi: 10.1007/978-3-031-25358-4_12
  5. Burgos CM, Frenckner B, Broman LM, et al. Crossing-borders: Experience with International ECMO transports. Research Square; 2024. doi: 10.21203/rs.3.rs-3826309/v1
  6. Qiu Y, Hilmi I. The applications of ECMO in liver transplant recipients. Transplant Rev (Orlando). 2024;38(1). doi: 10.1016/j.trre.2023.100816
  7. Bartlett RH. The Story of ECMO. Anesthesiology. 2024;140: 578–584 doi: 10.1097/ALN.0000000000004843
  8. Patel K, Ündar A. Centrifugal Pump Generates Superior Hemodynamic Performance Compared to a new Diagonal Blood Pump in Neonatal and Pediatric ECMO Circuits. World Journal for Pediatric and Congenital Heart Surgery. 2022;13(2):235–241. doi: 10.1177/21501351211057426
  9. Wang S, Moroi M, Kunselman A, et al. Evaluation of centrifugal blood pumps in term of hemodynamic performance using simulated neonatal and pediatric ECMO circuits. Artificial Organs. 2019;44(1). P. 16–27. doi: 10.1111/aor.13436
  10. Han D, Zhang J, He Ge, et al. Computational fluid dynamics-based design and in vitro characterization of a novel pediatric pump-lung. Artif. Organs. 2024;48:130–140. doi: 10.1111/aor.14665
  11. Li P, Mei X, Ge W, et al. A comprehensive comparison of the invitro hemocompatibility of extracorporeal centrifugal blood pumps. Front. Physiol. 2023;14. doi: 10.3389/fphys.2023.1136545
  12. Gao S, Wang W, Qi J, et al. Safety and Efficacy of a Novel Centrifugal Pump and Driving Devices of the OASSIST ECMO System: A Preclinical Evaluation in the Ovine Model. Frontiers in Medicine. 2021;8. doi: 10.3389/fmed.2021.712205
  13. Wu G, Xu Ch, Liu X, et al. Hydraulics and in vitro hemolysis test of a maglev implantable ventricular assist device. Journal of Mechanics in Medicine and Biology. 2017;17. doi: 10.1142/S0219519417400231
  14. Huang B, Guo M, Lu B, et al. Geometric Optimization of an Extracorporeal Centrifugal Blood Pump with an Unshrouded Impeller Concerning Both Hydraulic Performance and Shear Stress. Processes. 2021;9(7). doi: 10.3390/pr9071211
  15. Wu P, Huo J, Dai W, et al. On the Optimization of a Centrifugal Maglev Blood Pump Through Design Variations. Front. Physiol. 2021;12. doi: 10.3389/fphys.2021.699891
  16. Isaeva MS, Petrov AI, Banin EP. Razrabotka tsentrobezhnogo nasosa dlya sistem eks-trakorporalnoy membrannoy oksigenatsii s kolesom zakrytogo tipa. In: XXXV Mezhdunarodnaya innovatsionnaya konferentsiya molodykh uchenykh i studentov (MIKMUS — 2023): Sbornik trudov konferentsii, Moskva, 13–14 noyabrya 2023 goda. Moscow: IMash im AA Blagonravova RAN; 2023:309–315. EDN: WTDWLF
  17. Sukhanov DYa. Rabota lopastnykh nasosov na vyazkikh zhidkostyakh. Moscow: Mashgiz; 1952.
  18. CentriMag™ Blood Pump Instructions For Use. Zurich: Thoratec Switzerland GmbH; 2019. Accessed: 25.06.2024. Available from: https://www.accessdata.fda.gov/cdrh_docs/pdf17/P170038C.pdf.
  19. Conjunto para Circulação Extracorpórea MINI CEC. Instruções de Uso. Limeira: Cond Industrial Duas Barras; 2024. Accessed: 25.06.2024. Available from: https://cathcare.com.br/uploads/ifu/96-ifu-3b5810c44c2722c3709333eb2817a2fc7599c7d2.pdf

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The pump design: 1 — a top cover of the housing; 2 — a lower housing cover; 3 — an impeller; 4 — a lower rotor cover with magnets; 5 — an axis; 6, 7 — plain bearings.

Download (89KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The milled pump details.

Download (177KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The pump details, manufactured by casting in silicone molds.

Download (356KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. The test bench: а — a diagram of the test bench; b — a photo of the assembled test bench: 1 — tank; 2 — valve 1; 3 — pressure sensor 1; 4 — pump; 5 — pressure sensor 2; 6 – flow meter; 7 — valve 2; 8 — control panel.

Download (376KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Comparison of experimental (for milled pumps (№ 1ф, № 2ф), for casted pump (№ 1л) and calculated (modeling) pressure characteristics obtained during the tests with use of water.

Download (159KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Comparison of experimental pressure characteristics obtained during the tests with use of water (№ 1ф; № 2ф; № 5л) and water-glycerin mixtures (№ 1ф_в-гл_0,00283; № 2ф_в-гл-0,00342; № 5л_в-гл_0,00283; № 5л_в-гл_0,00342) (the scale of the vertical axis is intentionally changed for greater clarity): a — for milled pump № 1; b — for milled pump № 2; c — for casted pump № 5.

Download (489KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Comparison of experimental pressure characteristics during the tests with use of water-glycerin mixtures) for milled pumps (№ 1ф_в-гл_0,00283; № 2ф_в-гл-0,00342), for casted pumps (№ 2л_в-гл_0,00283; № 5л_в-гл_0,00283; № 5л_в-гл_0,00342).

Download (193KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

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».