Optimization of hemocompatibility metrics in ventricular assist device design using machine learning and CFD-based response surface analysis

计算流体力学 转子(电动) 参数统计 响应面法 生物医学工程 剪应力 计算机科学 模拟 工程类 机械工程 材料科学 数学 机器学习 复合材料 统计 航空航天工程
作者
Mohamed Bounouib,Mourad Taha‐Janan,W Maazouzi
出处
期刊:International Journal of Artificial Organs [SAGE Publishing]
卷期号:48 (6): 367-383 被引量:3
标识
DOI:10.1177/03913988251346712
摘要

Ventricular assist devices (VADs) are essential for end-stage heart failure patients, but their design must balance hydraulic efficiency and hemocompatibility to minimize blood damage. This study presents a multi-objective optimization framework integrating computational fluid dynamics (CFD), Random Forest Regression (RFR), and Bayesian optimization to improve VAD rotor hemocompatibility. Seven key design parameters (inlet/outlet blade angles, blade count, rotational speed, clearance gap, blade thickness, and rotor length) were optimized using a D-optimal design of experiments. The RFR surrogate model demonstrated superior performance in handling the complex parameter interactions, achieving high predictive accuracy (R2 > 0.84 for all hemocompatibility metrics). CFD simulations employing a Carreau-Yasuda blood model and rigorous mesh independence analysis evaluated shear stress distributions, exposure times, hemolysis index (HI), and platelet activation state (PAS). The optimized design achieved 97.24% of blood flow with shear stress <50 Pa, a HI of 0.01%, and PAS of 1 × 10-6%, representing significant improvements over baseline configurations. While this computational study provides comprehensive parametric insights, future experimental validation is recommended to confirm these findings under physiological conditions. The proposed framework offers a systematic approach for developing high-performance VADs with enhanced hemocompatibility.
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