心血管人工器官中血液流动和溶血的模拟策略研究

发布时间：2020-10-14 23:08

　　心血管疾病是主要的致死原因,其发病率也在逐年上升,严重威胁着人类的健康。心血管人工器官已经成为治疗患者的重要手段。在心血管人工器官如心室辅助装置(Ventricular Assist Devices,VADs)中,流场会产生很高的非生理性剪切应力,由此导致的溶血问题一直是业内人员的研究热点。作为心血管人工器官的一个典型,美国食品药监局(U.S.Food and Drug Administration,FDA)给出了喷管和血泵两个标准模型。本课题是对心血管人工器官中血液流动和溶血模拟策略的研究。使用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的方法,研究不同尺寸的喷管流场形态和标准血泵的流场、溶血问题,并结合实验数据验证仿真结果。不同于传统的溶血预测模型——使用有效剪切应力、暴露时间对于溶血的影响,本课题使用基于能量耗散方法的溶血预测模型预测溶血量。工作包括以下几个部分:(1)湍流模型与溶血预测理论,包括传统的溶血预测模型和基于能量耗散方法的溶血预测模型的理论理解。(2)FDA喷管模型的数值计算。使用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)的方法,采用WALE模型进行两种工况下的流场计算。(3)FDA喷管模型的实验。设计并制作了喷管的实验模型,搭建了实验平台,进行水力学外特性实验。(4)FDA标准血泵模型的数值计算。使用雷诺时均N-S方程(Reynolds Averaged Navier-Stokes,RANS)方法,采用RNG k-?模型分别讨论在三种工况下,叶片倒角(有倒角和无倒角)和叶轮不同网格划分方法(结构化网格和非结构化网格)对血泵内流场和溶血预测的影响。(5)分别使用传统溶血预测模型和基于能量耗散方法的溶血预测模型进行FDA标准血泵模型的数值计算,并对比了不同溶血模型的计算结果差异。研究结果显示,喷管的流场速度和压力在管道直径突然变化时变化较大,此现象与已发表的结论一致。与实验对比,数值计算的数据是可靠的。叶轮有无倒角和网格划分方法不同对血泵压头、流场均有影响,从而影响溶血值的计算。同时,基于能量耗散方法的溶血预测模型的计算结果更接近FDA发表的实验值。研究结果还表明,流场内部细节特征与压头的计算存在一定的关联性但压头对内部细节流场特性不是很敏感。本课题对更好的使用CFD辅助血液相容性设计具有重要的意义。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R318.1
【部分图文】：

示意图,心室辅助装置,示意图

图 1.1 心室辅助装置示意图植入方式可分为植入式 VAD 和非植入式 VAD：（1）管道较短，因此耗能较少，耐久性也好所以抗血栓性能较好；（3）结构的设计相对比较很大的使用价值；（4）术后感染问题能得到较好经历了三代：第一代是搏动式血泵 VAD，第二血泵 VAD，第三代是悬浮式血泵 VAD[11]。第有驱动、检测和控制系统。但是由于其产生的流耐久性差，易感染等缺点，慢慢地被第二代 VA在壳体中转动，增加了血液的动能和压强，达到血泵从流体机械学的角度可分为轴流泵、离心组成，叶轮在血液内高速旋转。轴流泵自身有很

流程图,计算流体力学,流程,处理阶段