Por dentro da engenharia das bombas de sangue: CFD na medicina

A insuficiência cardíaca é a principal causa de morte global nos últimos 15 anos, com previsão de 23,6 milhões de mortes anuais até 2030, segundo a OMS. O transplante cardíaco é uma solução, mas enfrenta limitações devido à escassez de doadores compatíveis, levando pacientes a aguardarem meses, muitas vezes sem sucesso.

Para auxiliar nesses casos, dispositivos como os Ventricular Assist Devices (VADs) e a oxigenação por membrana extracorpórea (ECMO) são usados. Ambos, assim como a hemodiálise, dependem de bombas de sangue, essenciais no suporte mecânico cardíaco e pulmonar, especialmente durante cirurgias. Essas bombas, além de descartáveis e de fácil fabricação, devem ser cuidadosamente projetadas para reduzir ao máximo os danos ao sangue. Isso inclui evitar zonas de turbulência, estagnação e elevados níveis de tensão de cisalhamento, fatores que podem levar à degradação das hemácias, leucócitos e outros componentes biológicos essenciais.

Desafios e soluções

Bombas de sangue centrífugas são projetadas para reduzir o risco de trombose ao evitar a estagnação do fluxo. No entanto, priorizar excessivamente a eficiência pode gerar regiões de alto estresse de cisalhamento (>10 Pa) devido às altas velocidades de rotação, o que pode danificar células sanguíneas e causar complicações como sangramento, AVC e formação de coágulos.

Antes, a avaliação de problemas como trombose dependia de experimentos físicos. Hoje, o uso da fluidodinâmica computacional (CFD) permite prever áreas críticas, como regiões de cisalhamento elevado, e ajustar os projetos de forma mais rápida e eficiente. As simulações também demonstram que manter a taxa de cisalhamento abaixo de certos limites reduz o risco de trombos.

A avaliação do desempenho dessas bombas utiliza métricas como o tamanho das regiões de estresse elevado e a taxa de dano aos glóbulos vermelhos (hemólise). Estudos experimentais e computacionais ajudam a otimizar os projetos, minimizando danos ao sangue, especialmente em aplicações de longo prazo.

Simulação de bombas de sangue

O estudo de simulação, utilizando o STAR-CCM+, em questão concentra-se na análise detalhada da bomba de sangue, com o objetivo de investigar as variáveis chaves como eficiência, perda de carga, torque do sistema e estabilidade operacional do equipamento. Os resultados numéricos foram comparados com dados experimentais disponíveis na literatura para validação do modelo.

A modelagem considerou um regime de escoamento monofásico e em estado estacionário, adotando a abordagem de Moving Reference Frame (MRF) para simular a rotação do rotor. Para a modelagem da turbulência, foi utilizado o modelo k-Ômega SST, amplamente recomendado na literatura para escoamentos com forte interação rotor-estator. A malha computacional foi refinada nas regiões críticas, especialmente nas proximidades do rotor, onde ocorrem elevados gradientes de velocidade e efeitos significativos de cisalhamento.

Figura 1. Geometria e malha computacional

Na Figura 2 (a) e (b), são apresentados os perfis de magnitude da velocidade e de pressão absoluta para uma condição operacional de 3,5 L/min e 3500 RPM. Observa-se a presença de zonas de máximas velocidades em regiões de impulsão e externas do rotor (região de fuga), bem como zonas de baixa velocidade e escoamento estagnado no centro da bomba. Essas regiões são críticas, pois podem ser otimizadas para reduzir os riscos de danos às células sanguíneas.

Figura 2. Perfil de variável: (a) velocidade; (b) pressão absoluta

A Figura 3 apresenta o perfil da tensão de cisalhamento nas paredes rotativas da bomba sob as mesmas condições operacionais. As áreas com elevada tensão de cisalhamento são especialmente relevantes, pois estão associadas ao potencial de hemólise, isto é, à ruptura das hemácias e, portanto, são fundamentais na avaliação da biocompatibilidade do equipamento.

Figura 3. Perfil de tensão de cisalhamento na parede

Por fim, a Figura 4 exibe os resultados da simulação para diferentes condições de vazão de entrada, variando de 2,5 L/min a 6 L/min. Foram obtidos os valores de eficiência e da pressão manométrica da bomba para cada condição, os quais foram comparados com os dados experimentais disponíveis no trabalho de Malinauskas et al. (2017), demonstrando boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais.

Figura 4. Gráfico Pressão Manométrica e Eficiência pelas vazões 

A simulação numérica é uma ferramenta poderosa que acelera o desenvolvimento de tecnologias médicas e amplia nossa compreensão de desafios complexos. Há 15 anos, Takehisa Mori iniciou o uso de CFD no desenvolvimento de dispositivos cardiovasculares em sua empresa, revolucionando os processos de design e trazendo avanços significativos para a área. Sobre essa jornada, Mori reflete:

"Quando comecei com CFD, percebi o quanto era capaz de entender melhor os projetos. Um ponto de advertência é que algumas pessoas pensam muito levianamente sobre a simulação, assumindo que qualquer coisa pode ser simulada ou imaginada. Na realidade, é importante considerar o que o problema significa e quais são as implicações físicas... Ao utilizar o CFD, podemos construir uma base para a fabricação de protótipos até certo ponto."

Takehisa Mori, Gerente de Pesquisa de P&D da Principal, Terumo Corporation

A simulação computacional da bomba de sangue possibilitou a identificação de regiões críticas de velocidade, pressão e tensão de cisalhamento, fatores fundamentais para otimizar o desempenho hidráulico e mitigar riscos hemáticos. O uso de ferramentas de engenharia assistida por computador (CAE) tem se mostrado essencial para reduzir o tempo e o custo de desenvolvimento, ao mesmo tempo em que aumenta a confiabilidade dos projetos. Ao aliar rigor técnico às exigências clínicas, a engenharia computacional contribui diretamente para o desenvolvimento de dispositivos médicos mais seguros, eficientes e adequados ao uso prolongado em pacientes.

Referências

MALINAUSKAS, Richard A. et al. FDA benchmark medical device flow models for CFD validation. Asaio Journal, v. 63, n. 2, p. 150-160, 2017.

SIEMENS. Applying simulation and CFD for better medical device designs with Terumo Corporation. Siemens Blog, 18 mar. 2022. Disponível em: https://blogs.sw.siemens.com/medical-devices-pharmaceuticals/2022/03/18/applying-simulation-and-cfd-for-better-medical-device-designs-with-terumo-corporation/. Acesso em: 5 jun. 2025.

SARIZEYBEK, Ceren. DESIGN OF CENTRIFUGAL BLOOD PUMP. 2020. Tese de Doutorado. İzmir Institute of Technology.

HAN, Dong et al. Computational fluid dynamics analysis and experimental hemolytic performance of three clinical centrifugal blood pumps: Revolution, Rotaflow and CentriMag. Medicine in novel technology and devices, v. 15, p. 100153, 2022.

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