人工心脏泵叶轮结构参数优化及有限元分析
发布时间：2021-08-17 01:04
心血管疾病成为了人类寿命的杀手,在全球死亡病例中,心血管疾病患者的病例就占据了三分之一。通过移植一个人工心脏可以辅助或者代替原有的心脏工作,从而解决供体不足的问题和等待供体的时间问题,增大了存活的几率,降低医疗成本。对于现有的人工心脏泵存在着尺寸大、机械结构复杂、易感染、发热、设计过程繁琐、溶血、效率低、可靠性差、悬浮稳定性问题。双向液力悬浮的人工心脏泵可以较为有效的解决上述问题。本课题为了着重解决叶轮效率低、溶血、运转稳定性以及可靠性问题,同时提升设计效率,采用双向液力悬浮式的人工心脏泵开展设计、优化仿真与可靠性方面的研究。针对人体血液状况与先进人工心脏泵设计指标,运用传统的经验设计法,建立了一种双向液力悬浮的人工心脏泵。建立损失、稳定性和溶血的多目标优化数学模型,赋予各个分目标函数以权重之后,统一目标函数,运用两种智能算法在给定域中寻优。通过比较,选择优化数值更为理想的尺寸参数作为优化后的结果,进而对比各个分目标初始的函数值,从理论上验证优化是否可行。根据优化后的结果,建立三维实体模型以及数值计算模型。通过仿真出的人工心脏泵内的整个流场的速度矢量云图、压力云图,是否与离心泵工作原理...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Abiocor结构图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第二代人工心脏泵主要的代表产品是 Heartmate II[13,14]（如图 1-3、1-4所示）。Heartmate II 是由美国 Thoratec 公司开发的，其重量不足 400g，长度约为 7cm，最大直径约为 4cm，设计寿命超过 10 年。可以连续输出 10L/min的流量。Heartmate II 同时也是第一个市场化非常成熟的人工心脏泵。美国食品药品监督管理局（FDA）于 2008 年批准 Heartmate II 可以商业化，并应用于心脏移植前的过度治疗。于 2010 年批准 Heartmate II 可以商业化并应用于长期的植入性治疗。目前为止，Heartmate II 已有两万余人植入。第二代人工心脏泵也有其他的典型产品。如 Javik 2000[15]（如图 1-5 所示）和 INCOR[16]（如图 1-6 所示）等。Javik 2000 由美国 Javik 公司研制，采用轴流式的结构，泵体长度为 55mm，最大流量为 7L/min,重量约为 90g。应用的时候，直接将该血泵插入心尖。于 2000 年，被美国食品药品监督管理局批准，可在临床使用。INCOR 由德国柏林心脏研究所（Berlin Heart Institute）研制，采用机械支撑轴承，功耗为 4W 左右，重为 200g 左右，截止到现在，已经有 300 余人使用。
度的磁悬浮系统，为了维持磁悬浮，所以耗电较大，整体功耗大于 50W。此之后，各个科研单位以及公司研制了各自的采用磁悬浮技术的人工心脏。比如，在 2001 年，Temmo 公司研制出了采用磁悬浮结构的人工心脏泵—DuraHeart[19]，采用磁悬浮技术使得人工心脏泵的叶轮在轴向方向可以悬。采用磁悬浮技术的人工心脏泵是通过磁力实现悬浮的, 根据 Eamshaw 理，采用磁悬浮技术的人工心脏泵都需要一套主动控制系统，该系统具有体大、耗能高、发热大等缺点，这些因素在某种程度上都限制了采用磁悬浮术的人工心脏泵的发展[20]。于是，人们开始了磁力液力混合悬浮和液力悬的人工心脏泵的研究。采用磁力液力混合悬浮的第三代人工心脏泵的代表产品是 HVAD。VAD[21]由美国 Heartware 公司研制，是一种离心式血泵，叶轮由电机驱动，撑系统有别于第二代人工心脏泵，为液力、电磁混合磁悬浮轴承（如图 1-7示），直径为 50 毫米，重约 145g，可以通过控制器调节转速，转速的变范围为 1800~2400 r/min，最高可以提供的流量为 10L/min，具有适用性高，作简单等特点。美国食品药品监督管理局（FDA）批准，HVAD 可以被应于心脏移植前的过度治疗，目前已经有 7000 余人接受了治疗。
本文编号：3346743
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Abiocor结构图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第二代人工心脏泵主要的代表产品是 Heartmate II[13,14]（如图 1-3、1-4所示）。Heartmate II 是由美国 Thoratec 公司开发的，其重量不足 400g，长度约为 7cm，最大直径约为 4cm，设计寿命超过 10 年。可以连续输出 10L/min的流量。Heartmate II 同时也是第一个市场化非常成熟的人工心脏泵。美国食品药品监督管理局（FDA）于 2008 年批准 Heartmate II 可以商业化，并应用于心脏移植前的过度治疗。于 2010 年批准 Heartmate II 可以商业化并应用于长期的植入性治疗。目前为止，Heartmate II 已有两万余人植入。第二代人工心脏泵也有其他的典型产品。如 Javik 2000[15]（如图 1-5 所示）和 INCOR[16]（如图 1-6 所示）等。Javik 2000 由美国 Javik 公司研制，采用轴流式的结构，泵体长度为 55mm，最大流量为 7L/min,重量约为 90g。应用的时候，直接将该血泵插入心尖。于 2000 年，被美国食品药品监督管理局批准，可在临床使用。INCOR 由德国柏林心脏研究所（Berlin Heart Institute）研制，采用机械支撑轴承，功耗为 4W 左右，重为 200g 左右，截止到现在，已经有 300 余人使用。
度的磁悬浮系统，为了维持磁悬浮，所以耗电较大，整体功耗大于 50W。此之后，各个科研单位以及公司研制了各自的采用磁悬浮技术的人工心脏。比如，在 2001 年，Temmo 公司研制出了采用磁悬浮结构的人工心脏泵—DuraHeart[19]，采用磁悬浮技术使得人工心脏泵的叶轮在轴向方向可以悬。采用磁悬浮技术的人工心脏泵是通过磁力实现悬浮的, 根据 Eamshaw 理，采用磁悬浮技术的人工心脏泵都需要一套主动控制系统，该系统具有体大、耗能高、发热大等缺点，这些因素在某种程度上都限制了采用磁悬浮术的人工心脏泵的发展[20]。于是，人们开始了磁力液力混合悬浮和液力悬的人工心脏泵的研究。采用磁力液力混合悬浮的第三代人工心脏泵的代表产品是 HVAD。VAD[21]由美国 Heartware 公司研制，是一种离心式血泵，叶轮由电机驱动，撑系统有别于第二代人工心脏泵，为液力、电磁混合磁悬浮轴承（如图 1-7示），直径为 50 毫米，重约 145g，可以通过控制器调节转速，转速的变范围为 1800~2400 r/min，最高可以提供的流量为 10L/min，具有适用性高，作简单等特点。美国食品药品监督管理局（FDA）批准，HVAD 可以被应于心脏移植前的过度治疗，目前已经有 7000 余人接受了治疗。
本文编号：3346743
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