新型喷射悬浮血泵的优化设计及性能评价

发布时间：2020-06-18 23:49

【摘要】：心室辅助装置是一种辅助心脏实现泵血功能的人工血泵,现已成为治疗终末期心衰病人的重要手段之一。目前心室辅助装置的研究热点是转子悬浮式心室辅助装置,这一装置利用液力动压悬浮手段或磁力悬浮手段将转子悬浮在血泵之中,完全免除机械轴承的使用,从而避免机械磨损和摩擦生热的产生,提高心室辅助装置的安全性、可靠性和仪器寿命。然而,转子悬浮式心室辅助装置目前仍面临如下问题:利用液力动压悬浮手段的血泵,受到润滑理论的限制,其有效作用的轴承间隙须为100μm或更小,这一狭窄间隙内会产生高剪切应力场,从而对血细胞造成损伤;利用磁力悬浮手段的血泵,由于磁力悬浮装置体积较大,且需要复杂的主动控制系统和额外能耗,因此会影响血泵的安全性、可靠性和续航能力。以上因素均制约了心室辅助装置的发展和应用。本研究以探索一种应用于心室辅助装置的新型悬浮方式为研究目的,分别就理论分析、血泵设计、血泵性能评价和验证、血泵结构优化、双入口设计应用于人工血泵等技术难题展开基础研究,具体研究内容及结论如下:(1)针对转子磁力悬浮技术所面临的能耗和复杂控制问题,以及液力动压悬浮技术所面临的高剪切应力场带来血细胞损伤的问题,本文开展了基于喷射悬浮机制的离心血泵理论与设计研究。通过研究喷射悬浮原理,奠定本研究的理论基础。根据人体供血需求,利用经验公式对离心式人工血泵进行尺寸计算和模型设计。然后基于喷射悬浮原理,在前述工作的基础上,设计得到采用喷射悬浮方式的离心式人工血泵,具有被动控制、间隙较大等特点。(2)针对喷射悬浮血泵的性能优化问题,本文利用计算流体力学方法,建立了综合考量血泵转子悬浮性能和血液相容性的评价体系,通过定性和定量的方法展开血泵性能研究。首先对喷射血泵流场进行求解,并根据喷射血泵的水力性能确定其标准工况。在标准工况下,计算得到转子所受悬浮力,从而探讨血泵悬浮性能。同时,加工得到喷射血泵实物模型,展开水力性能实验,并测量转子和泵壳之间的间隙,验证流场仿真的准确性和喷射悬浮方式的有效性。以剪切应力对血细胞造成损伤的理论为基础,首先以不同剪切应力阀值对应的流场体积为研究对象,对喷射血泵的血液相容性进行定性研究,然后结合幂定律和拉格朗日算法,沿通过血泵流场的流线对血细胞所受损伤进行积分,得到血泵的溶血指数,从而定量化研究血泵的溶血性能,探讨喷射流的存在对血泵血液相容性的影响。以叶片出流角、喷射流道出流角和叶片厚度作为几何参数变量,通过计算仿真手段,研究以上几何参数对喷射血泵悬浮性能和血液相容性的影响并探索优化规律。以研究结果为基础,建立优化后的喷射悬浮血泵模型,运用计算流体力学方法,评价其悬浮性能和血液相容性,并与初始血泵的相关性能进行对比,验证优化的有效性。计算结果的准确性得到了实验验证。(3)针对单入口血泵所面临的轴向推力问题,将双入口设计应用于喷射悬浮血泵设计中,并探讨其可行性和优缺点,为双入口血泵的设计提供了理论基础和指导。建立双入口喷射悬浮血泵模型,运用计算仿真手段,对血泵流场进行计算,并在相同工况下,与前述单入口喷射悬浮血泵模型各项性能进行比较。分析可知,双入口血泵由于具有轴向对称的结构,因此转子所受悬浮力沿轴向对称,避免了单入口血泵所面临的转子轴向推力问题。在相同工况下,通过定性分析,可知双入口血泵的各项血液相容性均优于单入口血泵,通过定量分析,得到双入口血泵的溶血指数,并与单入口血泵相比较,证实了双入口血泵具有更好的溶血性能。综上所述,本研究针对目前心室辅助装置采用的转子悬浮技术所面临的技术难题,以探索一种应用于心室辅助装置的新型悬浮方式为研究目的,通过理论分析与计算,设计了一种应用新型喷射悬浮机制的人工血泵,评价其悬浮性能和血液相容性,通过几何参数优化设计提升血泵性能,并就双入口设计应用于人工血泵展开研究,为心室辅助装置的发展提供了理论指导与技术支撑。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH77
【图文】：

示意图,人体,示意图,心室辅助装置

图 1-5 HeartMate XVE 血泵植入人体示意图[17].1-5 Implantation of the HeartMate XVE blood p系列血泵相似，Novacor（World Heart Col Inc.）也是植入体内的体积位移泵，同被or 血泵已被植入超过 1800 名病人体内，Novacor 已被 FDA 批准用于等待心脏移临床使用[21]。而 Arrow LionHeart 血泵跨utaneous Energy Transfer Systems, TETS），感染的风险（图 1-6）。然而，代价是血中的工作气体会逐渐通过薄膜扩散，需要第一代心室辅助装置包括AbioMed BVS 等，它们多用于短期循环支持，可分别满脏病患者治疗等[24]。

心室辅助装置

(a) Novacor LVAS 血泵[21](b) LionHeart 血泵[9]图 1-6 第一代心室辅助装置Fig.1-6 First-generation VADs尽管第一代心室辅助装置可以有效地提高心衰病人生存率，并且已经成功应床治疗，但仍存在种种缺陷限制其发展。第一代心室辅助装置由于其结构设计有较大的体积和血液接触表面，并且有包括人造瓣膜在内的多个移动机械部件方面限制了它们的运用，只能用于体表面积足够大的病人，而且无法应用于永，另一方面使得它们有较高的噪声和运动部件机械疲劳风险，大多数装置都会三年内失效[25]。同时，第一代心室辅助装置有高风险的感染、血栓生成和血几率，这也使其临床表现不甚理想[26]。REMATCH 试验显示，败血症和机械引起植入第一代心室辅助装置的病人死亡的主要原因。出于对更高的安全性和的要求，人们开发出了利用连续流的第二代心室辅助装置。2.1.2 第二代心室辅助装置尽管起初受到医学界怀疑，现在连续流血泵已经被广泛应用于机械循环辅助。一直以来，学术界对长期无脉动流带来的生理影响一直很关注，研究证明缺

【参考文献】