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T. Yorov:
"Methodology of Micro-PIV Investigation of Blood Flow in Channels with Micro-Structures";
Supervisor: M. Gföhler, M. Harasek; 307-03, 2020; final examination: 2020-04-16.

As the medical devices industry advances in the developing and production of mechanisms and equipment for fighting disorders of the cardiopulmonary system, new engineering problems arise. Such devices are extracorporeal membrane oxygenators (ECMO), as well as external ventricular assist devices (VADs). Since, their work includes blood handling, it is important to assess how the blood is affected, while flowing through such devices. Particle image velocimetry (PIV) is an approach to observe fluid flows in specific conditions and obtain important knowledge regarding the mechanical properties of the flow, e.g. velocity fields, shear strain/stress, etc. With the help of PIV it is possible to obtain some of the information regarding the blood flow through assistive medical devices. Moreover, predictions made with computational fluid dynamics (CFD) could be validated. In this work a methodology for derivation of reliable data from micro-PIV experiment is established in series of experiments with simple rectangular channel. The best configuration of the system was chosen through tests with different settings, such as different interrogation windows, working fluids, particles and concentrations of particles. The results were compared to CFD simulations. After the best conditions of the setup were found, a channel was produced to replicate the cross-section of ECMO-membrane. This channel was used to observe the transverse flow of transparent fluid, mixture of xanthan gum, sucrose and water, with viscosity similar to this of the blood. The velocity fields in between the acrylic rods, substituting the fibres, were observed at 4 different flow rates. The mean absolute percentage error (MAPE) between the experiments and respective CFD simulations was estimated between 12 and 17 %. The experimental results were further used to quantify the hemolysis between two fibres. Furthermore the blood damage was compared to theoretically estimated Sherwood number for 6 different velocities. Eventually, an optimal velocity in between the fibres was proposed, in the meaning of best mass transport on the cost of minimum blood damage. As a last experiment, a channel with real fibres, attached parallel to the flow, was prepared. The velocity profile in the middle was compared to velocity profile from a CFD simulation of a channel with the same geometry, where the fibres are simulated as rigid bodies. The resulting MAPE was 4%. Additionally, concepts for improvement of the methodology were included.

Mit dem Fortschritt der Medizinprodukteindustrie bei der Entwicklung und Herstellung von Mechanismen und Geräten zur Bekämpfung von Störungen des Herz-Lungen-Systems treten neue technische Probleme auf. Solche Geräte sind extrakorporale Membranoxygenatoren sowie externe ventrikuläre Unterstützungsgeräte . Da ihre Arbeit die Handhabung von Blut umfasst, ist es wichtig zu beurteilen, wie das Blut beeinflusst wird, während es durch solche Geräte fließt. Particle Image Velocimetry (PIV) ist ein Ansatz zur Beobachtung von Flüssigkeitsströmungen unter bestimmten Bedingungen und zur Gewinnung wichtiger Kenntnisse über die mechanischen Eigenschaften der Strömung, z.B. Geschwindigkeitsfelder, Scherbeanspruchung, Spannung usw. Mit Hilfe von PIV ist es möglich, einige Informationen über den Blutfluss durch unterstützende medizinische Geräte zu erhalten. Darüber hinaus konnten Vorhersagen mit numerischer Strömungssimulation validiert werden. In dieser Arbeit wird eine Methodik zur Ableitung zuverlässiger Daten aus Mikro-PIV-Experimenten in einer Reihe von Experimenten mit einfachen rechteckigen Kanälen festgelegt. Die beste Konfiguration des Systems wurde durch Tests mit unterschiedlichen Einstellungen ausgewählt, z. B. unterschiedlichen Abfragefenstern, Arbeitsflüssigkeiten, Partikeln und Partikelkonzentrationen. Die Ergebnisse wurden mit numerischen Strömungssimulationen verglichen. Nachdem die besten Bedingungen des Aufbaus gefunden worden waren, wurde ein Kanal hergestellt, um den Querschnitt der Membran von einem Membranoxygenator zu replizieren. Dieser Kanal wurde verwendet, um den Querfluss von transparenter Flüssigkeit, einer Mischung aus Xanthangummi, Saccharose und Wasser mit einer ähnlichen Viskosität wie die des Blutes zu beobachten. Die Geschwindigkeitsfelder zwischen den Acrylstäben, die die Fasern ersetzten, wurden bei 4 verschiedenen Flussraten beobachtet. Der mittlere absolute prozentuale Fehler (MAPE) zwischen den Experimenten und den jeweiligen numerischen Strömungssimulationen wurde zwischen 12 und 17% geschätzt. Die experimentellen Ergebnisse wurden weiter verwendet, um die Hämolyse zwischen zwei Fasern zu quantifizieren. Darüber hinaus wurde der Blutschaden mit der theoretisch geschätzten Sherwood-Zahl für 6 verschiedene Geschwindigkeiten verglichen. Schließlich wurde eine optimale Geschwindigkeit zwischen den Fasern vorgeschlagen, im Sinne eines besten Massentransports zu den Kosten einer minimalen Blutschädigung. Als letztes Experiment wurde ein Kanal mit realen Fasern hergestellt, der parallel zur Strömung angebracht war. Das Geschwindigkeitsprofil in der Mitte wurde mit dem Geschwindigkeitsprofil einer numerschen Simulation eines Kanals mit derselben Geometrie verglichen, bei der die Fasern als starre Körper simuliert werden. Die resultierende MAPE betrug 4%. Zusätzlich wurden Konzepte zur Verbesserung der Methodik aufgenommen.

Particle Image Velocimetry (PIV) / micro-channel / blood flow

https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_291704.pdf