血流动压下Pivot支承的轴流式血泵设计

发布时间：2020-08-17 12:29

【摘要】：因心血管疾病导致的心力衰竭(简称心衰)已经成为人类死亡的主要原因之一,目前临床上治疗心衰最有效的方法是心脏移植,但由于缺乏供体,每年有大量的心衰患者在等待移植中死亡。血泵的出现为治疗心衰提供了一种新的途径。针对第二代血泵中使用的机械轴承摩擦大,第三代血泵中使用的磁悬浮轴承导致血泵体积大、发热大的问题,提出了一种血流动压和Pivot轴承(枢轴轴承)相叠加的支承方式。本论文的研究工作是提出了一种血流动压下Pivot支承的轴流式血泵,以其为研究对象,利用CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学)对轴流式血泵的关键参数进行优化,对优化后的血泵进行数值仿真分析和溶血预测,加工出血泵并搭建体外循环实验平台进行血泵水动力特性测试。本论文得到的主要结果如下:(1)采用轴流式血泵的设计原理、圆柱层无关性假设、Standard k-ε湍流模型理论、圆弧法等理论优化叶轮以及前后导轮的结构参数,满足结构要求前提下尽量减小泵体体积,设计出轴流式血泵的相关参数。(2)建立流道模型,采用计算流体分析法,分别对叶轮叶片数、叶轮叶片高度、叶轮叶片进口安放角和出口安放角4项参数进行优化。对优化后的模型进行数值仿真分析,结果证明优化对提升轴流式血泵水动力特性起到一定作用。(3)设计Pivot和动压结合的复合支承,采用计算流体分析法分析叶轮部分在血泵工作时所受到的径向力,证明了本文设计的轴承因动压方式产生的支承力可以减小Pivot轴承径向载荷,实现对轴流式血泵的良好支承。(4)利用Giersiepen等提出的溶血与切应力、暴露时间之间的幂函数模型来建立血泵溶血预测模型,采用粒子追踪法进行溶血性能的预测,结果表明所设计的轴流式血泵理论溶血值较小,对血细胞产生的危害较小。(5)根据设计优化后的血泵参数加工并完成整体装配,搭建体外循环模拟实验平台并进行实验,结果与仿真分析基本一致,验证了数值仿真分析的可靠性与血泵设计的合理性。证明利用计算流体动力学能够分析血泵流道,优化血泵,缩短研发周期;所提出的血流动压下Pivot支承具有摩擦小,体积小的特点,能较好的解决现有血泵的问题。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH789
【图文】：

置相当于心脏瓣膜功能的单向阀门；另一端接出口导管，也在阀门；当用诸如电磁力等外力使腔室体积发生变化即可实现泵血式血泵应用于临床治疗的主要有 Abiomed BVS5000（图 1-1（AB5000（图 1-1（b））、Thoratec PVAD （图 1-1（c））和 IVAD（上装置最大流量可达到 5L/min、血液输出压力可达 70~80mmH用于短期辅助。主要是因为这类血泵具有很多缺点：体积较大在血泵的出入口必须设置单向阀门，导致血泵结构复杂；机械往复运动导致血泵寿命短[19]。(a) Abiomed BVS5000 (b) Abiomed AB5000

第二代血泵根据叶轮的形状可以分化为两类血泵：离心式血泵和轴流式血泵。离心式血泵主要代表有 Levitroix CentriMag（图 1-2（a））。该血泵在转速为1500-5500r/min 时，最大流量可达到 9L/min。轴流式血泵主要代表有 HeartMate II（图 1-2（b））和 DeBakey（图 1-2（c））。HeartMate II 直径为 40mm，重约 375g，实验测试表明该血泵在正常转速（8000~9000r/min）下，其最大流量为 3~4L/min，血泵出口压力达到 80~100mmHg[21]。在动物实验方面，HeartMate II 成功移植到40 头小牛身上以评估其水力动力性能和生理相容性性能，其中最长的存活时间为 225 天。DeBakey 是由 NASA 研究中心和 Baylor 医学院共同研制而成，正常转速区间（7500~12000r/min）内，最大流量可达 10L/min。在 10W 的输入功率下转速可达到10000r/min，输出压力在100mmHg的情况下，流量可达到5~6L/min科研人员将DeBakey移植入小牛体内来评估血泵性能，在手术之后的3个月内，小牛的溶血指标一直保持低于 0.002g/100L[22]。

第 2 章 植入式轴流血泵的结构设计2.1 轴流式血泵工作原理及总体结构在血泵工作时，血液从血泵入口进入血泵，先经过前导轮，在前导轮的作用下，沿圆周方向的速度被消除，只剩下沿轴线方向的速度。然后进入叶轮区域，因电机产生的旋转磁场而转动的转子带动叶轮转动，推动血液向后导轮方向流动。在后导轮区域，因为叶轮推动血液时也产生了一定的圆周速度，因此后导轮设计成扭曲叶片形状，使血液流经后导轮时能减小圆周速度分量，降低血流速度，将动能转化为压力能，使血液能够以足够的流量和压力进入主动脉。轴流式血泵的结构简图如图 2-1 所示。1 2 3 4 5 6 7

【参考文献】

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本文编号：2795326