Hemodynamic optimization of a novel single-puncture dual-lumen coaxial catheter for arteriovenous fistula access: A computational fluid dynamics study

OBJECTIVE: Arteriovenous fistula (AVF) is the gold standard for hemodialysis access, but traditional dual-needle cannulation is limited by a restricted cannulation area and progressive stenosis; single-puncture systems may reduce these risks if hemodynamics can be optimized to prevent recirculation. This study aimed to design a novel single-puncture dual-lumen coaxial catheter and to evaluate its hemodynamic performance, flow efficiency, and recirculation rate using high-resolution computational fluid dynamics (CFD).
METHODS: In this CFD and design-optimization study, a dual-lumen coaxial catheter with a unique fenestration geometry was designed and analyzed using SolidWorks Flow Simulation at a physiological temperature of 37°C. Boundary conditions included an AVF flow rate of 1000 mL/min and a dialysis pump speed of 300 mL/min. The primary endpoints were flow velocity, shear stress, and recirculation control.
RESULTS: CFD simulation (1,030,641 cells) showed a maximum flow velocity of 12.69 m/s and a peak calculated shear stress of 2,602.45 Pa at the narrowest lumen section; because blood damage depends on both stress magnitude and exposure time, these computational data alone do not establish blood compatibility. Thermodilution analysis yielded a theoretical recirculation rate of 0.007% under the modeled conditions, and flow trajectories showed spatial separation of the venous jet from the arterial intake.
CONCLUSION: Under the modeled steady-state conditions (AVF flow, 1000 mL/min; dialysis pump flow, 300 mL/min), CFD predicted stable separation of the return and aspiration streams and a theoretical recirculation rate of 0.007%. These proof-of-concept findings support further geometric optimization and physical testing; they do not establish clinical safety, efficacy, or superiority over standard dual-needle cannulation.

Keywords: Arteriovenous fistula, Computational fluid dynamics, Dialysis, Hemodialysis catheter, Recirculation, Single-puncture catheter

Arteriovenöz fistül erişimi için geliştirilen yeni bir tek delikli çift lümenli koaksiyel kateterin hemodinamik optimizasyonu: Bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği çalışması

AMAÇ: Arteriovenöz fistül (AVF), hemodiyaliz erişimi için altın standarttır; ancak geleneksel çift iğneli kanülasyon, sınırlı kanülasyon alanı ve ilerleyici darlık nedeniyle kısıtlıdır; re-sirkülasyonu önlemek üzere hemodinamik özellikler optimize edilebilirse, tek delikli sistemler bu riskleri azaltabilir. Bu çalışmanın amacı, yeni bir tek delikli çift lümenli koaksiyel kateter tasarlamak ve yüksek çözünürlüklü hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) yöntemini kullanarak bu kateterin hemodinamik performansını, akış verimliliğini ve resirkülasyon oranını değerlendirmektir.
YÖNTEMLER: Bu CFD ve tasarım optimizasyonu çalışmasında, benzersiz bir fenestrasyon geometrisine sahip çift lümenli koaksiyel bir kateter tasarlanmış ve SolidWorks Flow Simulation kullanılarak 37°C fizyolojik sıcaklıkta analiz edilmiştir. Sınır koşulları arasında 1000 mL/dk AVF akış hızı ve 300 mL/dk diyaliz pompası hızı yer almıştır. Birincil sonlanım noktaları akış hızı, kesme gerilimi ve resirkülasyon kontrolüydü.
BULGULAR: CFD simülasyonu (1.030.641 hücre), en dar lümen kesitinde 12,69 m/s’lik bir maksimum akış hızı ve 2.602,45 Pa’lık hesaplanmış tepe kesme gerilimi ortaya koydu; kan hasarı hem gerilimin büyüklüğüne hem de maruz kalma süresine bağlı olduğundan, bu hesaplama verileri tek başına kan uyumluluğunu kanıtlamaz. Termodilüsyon analizi, modellenen koşullar altında %0,007'lik bir teorik devridaim oranı ortaya koydu ve akış yörüngeleri, venöz jet ile arteriyel giriş arasında uzamsal bir ayrım olduğunu gösterdi.
SONUÇ: Modellenen kararlı durum koşulları altında (AVF akışı, 1000 mL/dk; diyaliz pompası akışı, 300 mL/dk), CFD, dönüş ve aspirasyon akışlarının kararlı bir şekilde ayrıldığını ve %0,007'lik bir teorik resirkülasyon oranı öngörmüştür. Bu kavram kanıtlama bulguları, daha ileri geometrik optimizasyon ve fiziksel testleri desteklemektedir; ancak bunlar, klinik güvenliği, etkinliği veya standart çift iğneli kanülasyona göre üstünlüğü kanıtlamamaktadır.

Anahtar Kelimeler: Arteriovenöz fistül, Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, Diyaliz, Hemodiyaliz kateteri, Resirkülasyon, Tek delikli kateter