最佳辅助状态下轴流血泵的转速变化及内流场分析

发布时间：2020-05-06 10:15

【摘要】：心室辅助装置作为心衰末期患者的主要治疗手段之一,得到了越来越广泛的临床应用。在心室辅助装置进行左心辅助时,大多采用恒转速控制使患者的平均主动脉压和心输出量达到正常生理水平。该控制方式降低了主动脉压的搏动性,使收缩压降低、舒张压升高,对血管的功能和几何结构均会产生影响,从而导致一系列的临床并发症。此外,恒转速控制方式还可能造成抽吸和返流现象,不能达到有效的左心辅助目的。因此,心室辅助装置变转速控制策略的制定是改善其左心辅助效果的有效途径,是亟需解决的关键技术。轴流血泵因其体积紧凑、易植入及创伤小等优点逐步成为心室辅助装置的主要发展方向之一。本文以自主研发的轴流血泵为研究对象,通过建立血液循环系统-轴流血泵耦合参数模型,提出一种血泵变转速控制方法并分析最佳辅助状态下转速曲线的变化规律,得到各级心衰条件下变转速辅助的数值结果,并与恒转速辅助进行比较。最后,根据转速变化曲线选取特征时间点,通过CFD数值模拟分析血泵在瞬时速度下的内部流场分布,并与恒转速控制进行对比,从而进一步证明轴流血泵在理想的最佳辅助状态下进行变转速辅助研究的可行性,其具体内容如下:1.建立血液循环系统-轴流血泵串联耦合参数模型。首先,建立血液循环系统集中参数模型,确定其相应的参数值,并对模型进行验证。其次,建立轴流血泵的三维模型、确定其数学方程,将血泵等效成集中参数模型,串联在主动脉瓣位置处,建立血液循环-轴流血泵耦合参数模型。2.基于耦合参数模型,提出速度控制方程,得到最佳辅助状态下变转速辅助的数值结果,并与恒转速辅助结果进行比较。首先,使用血液循环集中参数模型,调节其相应参数,分别得到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级心衰模型生理状态。其次,提出速度控制方程,得到变转速辅助在不同心衰条件下达到最佳辅助状态的转速变化曲线。然后,根据转速变化曲线,得到变转速辅助的数值结果,并与恒转速辅助进行比较分析。3.根据变转速辅助达到最佳辅助状态的数值结果,采用Fluent对轴流血泵在变转速辅助下的内部流场情况进行分析,并与恒转速辅助情况进行比较。根据变转速辅助的数值结果,在一个心动周期内选取特征时间点,设置轴流血泵数值模拟的边界条件,分析血泵在变转速辅助下的流场速度与剪切应力分布,并与恒转速辅助情况进行比较。研究发现,随着心衰程度的增加,变转速辅助的速度变化曲线峰值呈上升趋势,从Ⅰ级心衰到Ⅳ级心衰,增幅在1500rpm左右。由于变转速辅助达到了最佳辅助状态,在射血期,血泵在变转速辅助下的流量和转速均比恒转速辅助高,其在变转速辅助下的内部流场较稳定,剪切应力较高,局部会产生溶血,但该状态发生的时间很短,不会造成大的溶血产生。在等容收缩期、等容舒张期和充盈期,血泵在变转速辅助下的流量和转速均比恒转速辅助低,其在变转速辅助下的内部流场比较紊乱,在进出口导叶位置处有明显的涡流产生,但其剪切应力较低,产生的溶血较少。
【图文】：

血液循环系统,参数模型,转速变化,变转速

9变转速辅助下一个心动周期内的流场速度和剪切应力分布，并与恒转速辅助进行比较。本文研究路线图如图1.1 所示。图1.1 研究路线图Fig.1.1Theroadmapofresearch论文分为五章，各章主要研究内容如下：第一章首先简单介绍了课题的研究背景及意义、轴流血泵的国内外研究现状，然后简单讲述了参数模型、计算流体力学在心室辅助装置研发中的应用，最后介绍了本文的主要研究内容及章节安排。第二章首先介绍了血液循环系统的基本生理知识，然后建立血液循环系统集中参数模型和轴流血泵参数模型，最后把二者串联耦合，建立血液循环系统-轴流血泵串联耦合集中参数模型。第三章首先基于血液循环系统参数模型，得到正常和四种心衰状态的数值结果。然后，，基于耦合参数模型，得到最佳辅助状态下的转速变化曲线。最后，根据转速变化曲线，得到变转速辅助的数值结果，并与恒转速辅助进行比较。第四章根据转速变化曲线和数值结果

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图 2.1 血液循环系统示意图[64]Fig. 2.1 The schematic diagram of blood circulation system循环系统集中参数模型
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH789

【参考文献】