新型被动悬浮左心室辅助装置的设计与性能研究

发布时间：2020-07-29 14:29

【摘要】：心力衰竭是导致高发病率和死亡率的病因之一,目前心脏移植手术仍是治疗末期心衰患者最有效的手段之一,然而从全球范围来看,心脏供体严重不足。心室辅助装置可以部分或完全代替自然心脏的泵血功能,延长患者寿命,提高术后生活质量,因此其可作为末期心衰患者进行心脏移植前的过渡治疗手段,也可永久植入体内。为了提高心室辅助装置的使用寿命,当前心室辅助装置主要采用无接触式轴承,分为磁悬浮和液力悬浮两种。磁悬浮血泵需消耗额外的能量对转子进行主动控制,但具有较大的悬浮间隙,可减少对红细胞的剪切损伤。液力悬浮血泵基于流体润滑原理,利用较小的间隙产生的液力实现转子的被动悬浮,但会增加红细胞的剪切损伤,同时对轴承的加工和安装精度提出了极高的要求,增加了血泵的加工制造成本。基于磁悬浮轴承与液力悬浮轴承的优点,本文设计出能在较大间隙内实现被动悬浮的血泵,不仅省去复杂的主动控制单元以提高装置的可靠性,而且可同时降低血泵的溶血水平和血泵的加工制造成本。针对旋转组件的结构设计以及血泵的性能开展研究。研究内容及结论如下:1、大承载面积的圆锥动压轴承设计与优化研究。针对旋转组件的转子,设计大承载面积的圆锥动压轴承,基于二维设计模型,根据理论计算初步确定圆锥斜动压轴承与圆锥阶梯动压轴承的参数。以圆锥动压轴承的径向承载力为优化目标,在选定的偏心率情况下,利用计算流体动力学软件Fluent对轴承参数进行了优化设计,两者比较后选择圆锥阶梯动压轴承作为设计方案。2、具有喷射流道的叶轮设计与原理验证。在设计的旋转组件叶轮的基础上,设计具有六个喷射流道的新型叶轮,分析流体在喷射流道内和出流后的基本运动,理论上初步验证喷射流道设计的可行性。采用Fluent软件对血泵进行数值模拟,观察喷射流道出流流体对喷射出流口局部压强的影响,评估喷射作用的有效性。此外,针对设计的具有喷射流道的叶轮搭建了力学测试平台,得到喷射叶轮在不同转速与间隙下产生的悬浮力,并将旋转组件置于搭建的倒置血泵实验装置中,进一步验证喷射作用。3、针对设计的血泵(称为单喷射血泵)进行性能评估与优化。以具有圆锥动压轴承的转子与具有喷射流道的叶轮组成的旋转组件为研究对象,搭建了测量旋转组件轴向和径向运动的实验装置,定量地研究旋转组件在血泵壳体空腔中的运动规律,并测试了血泵的水力性能。其次,通过数值计算和体外溶血实验评估血泵的溶血性能,同时评估血泵的温升,进而通过体外循环实验评估血泵的抗血栓性能。最后,通过对叶轮的空腔喷射流道的形状进行优化设计改善血泵的溶血性能。4、全喷射血泵的设计、性能评估与优化。鉴于圆锥阶梯动压轴承的加工难度,为进一步降低旋转组件的加工成本,设计了具有十二个喷射流道的旋转组件(组成的血泵称为全喷射血泵),利用喷射流道的作用产生轴向和径向悬浮力。以全喷射血泵为研究对象,利用前述设计的测量旋转组件运动的实验装置,评估了全喷射血泵的旋转组件在壳体空腔中的运动规律,验证喷射流道作用产生的悬浮力能实现旋转组件的悬浮,同时测试了血泵的水力性能。基于设计的全喷射血泵,通过数值计算和体外溶血实验评估血泵的溶血性能,同时评估血泵的温升,进而通过体外循环实验评估血泵的抗血栓性能。最后,通过对空腔喷射流道的出流角进行优化设计改善血泵的溶血性能。综上所述,本文针对较大轴承间隙内实现被动悬浮的设计问题,设计了大承载面积的圆锥动压轴承和具有喷射流道的叶轮,分别提出了单喷射血泵和全喷射血泵两种,通过定量的测量旋转组件在壳体空腔中的运动,结果表明两者均能在较大的间隙内实现悬浮,但单喷射血泵旋转组件的稳定性优于双喷射血泵。同时两者优化设计后的血泵的溶血指标都能达到长期植入人体的要求。设计的全喷射血泵相较于单喷射血泵,制造加工成本更低但是消耗的能量要高于单喷射血泵。
【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】：TH789
【图文】：

心室辅助装置,人工心脏,肺动脉

上海交通大学博士学位论文，血流经过血泵作用后流入肺动脉，从而完全或部分替代右心室功能。RVAD 于左心室辅助装置手术或其它心脏手术术后的短期支持。BiVAD 是指血泵与室分别并联，血泵的入口分别与左右心室相连，出口与主动脉或者肺动脉相连晚期心衰病人采用植入式 LVAD 大多可达到心脏移植前过渡期辅助或恢复期目的。

早期开发,心脏,人工心脏

1.2 心室辅助装置的研究现状从广义血泵的角度出发，人工心脏研究可追溯至体外循环泵。1952年，外科医生Dodrill博士和通用汽车的工程师开发的Dodrill-GMR机(如图1-4(a)))绕过患有呼吸急促患者的左心室50分钟进行二尖瓣的修复工作，Dodrill-GMR机被认为是在心脏手术中第一个成功应用并执行的机械式人工心脏[18]。1953年，Gibbon利用人工心肺机(如图1-4(b))在人体上进行心脏手术，对患者进行心房中隔缺损修复[19]。1957年，Kolff与Akutsu在克利夫兰诊所将水压式聚氯乙烯人工心脏(如图1-4(c))植入小狗体内，并存活了90分钟[20]。基于这些初步研究，全球众多研究小组的科学家对人工心脏进行更深入的研究与开发。1964年，美国国立卫生研究院(National Institutes of Health, NIH)启动人工心脏项目

心室辅助装置,连续流,接触式,轴承

图 1-7 接触式轴承连续流式心室辅助装置Fig. 1-7 Continuous-flow ventricular assist devices with contact bearing1.2.2.2 无接触式轴承 CFVADs上述接触式轴承 CFVADs 的寿命一般是 4-5 年，尚不能用来永久植入替代自然心脏功能，因而在 2000 年后，心室辅助装置逐渐过渡到无接触式轴承 CFVADs。下节主要介绍。1.3 无接触式轴承 CFVADs从 2000 年后，无接触式轴承 CFVADs 获得了诸多成效，叶轮在血泵壳体空腔中与其他部件无任何机械接触。按照叶轮的悬浮是否需要主动控制，分为主动控制型CFVADs 与完全被动型的 CFVADs，一般而言，主动控制型 CFVADs 基本都是采用磁悬浮式，而完全被动型的 CFVADs 的主要是采用被动磁悬浮和液力悬浮相结合的方式或者完全液力悬浮的方式。1.3.1 主动控制型 CFVADs

【参考文献】