基于旋转式左心室辅助装置内在参数的无传感器抽吸检测方法研究

旋转式左心室辅助装置(LVAD)是治疗终末期心衰的一种有效方法。然而当临床上使用LVAD时,患者通常会经历心室塌陷的严重危险,这种现象叫做抽吸,主要是由于为了满足心输出量要求所需的过高LVAD转速导致的。某些抽吸检测算法又因传感器位置偏移和使用寿命短等原因无法长期应用于临床。因此,本研究基于LVAD的内在血泵参数(泵转速)提出了一种新颖的抽吸检测方法,避免了额外传感器的使用。从泵转速提取三种特征指标后作为四种分类器的输入,采用这些分类器对无抽吸和抽吸状态进行分类。基于人体循环系统和LVAD耦合模型的仿真结果表明,该方法可以有效地检测出抽吸现象,具有较高的分类精度、稳定性和鲁棒性。此抽吸检测系统可作为LVAD的重要组成部分,检测并避免抽吸现象的发生,同时使LVAD保证患者的心输出量要求,并为LVAD控制系统的设计和优化提供理论依据和技术支持。     

一种主动脉内血泵血流辅助指数的控制策略

目的为调节左心室辅助设备(left ventricular assist device,LVAD)和自然心脏的能量分配,将LVAD输出能量与心血管系统的总能量之比定义为血流辅助指数,并将其作为控制对象设计血泵控制算法。方法将血流辅助指数作为控制对象设计基于非参数模型自适应控制算法的血泵控制算法。该算法通过调节实际测量得到的血流辅助指数来跟踪期望血流辅助指数。在心衰、轻微运动和心功能恢复的情况下,利用心血管系统的数学模型验证控制算法的可行性。结果仿真结果表明:此控制算法能够自动提高泵速来响应外周阻力的减少(5 500 r/min vs.6 000 r/min)。当将Emax(心肌收缩能力)从80提高到240 Pa/mL来模拟左心室恢复时,血流速自动从5增加到8 L/min。结论本文提出的控制算法可以通过调节泵的转速来调节LVAD和自然心脏之间的能量分配,有利于促进左心室逆重构。     

基于集中参数模型的左心室辅助装置血流动力学仿真

目的新一代植入式心室辅助装置(ventricular assist device,VAD)采用旋转式血泵(rotary blood pumps)技术,目前已成为治疗严重心力衰竭的重要手段,因而研究VAD与人体间的生理相互作用机制有着重要的意义。本研究通过在Matlab Simulink环境中建立人体心血管循环系统的集中参数数学模型,模拟左心衰患者在植入左心室辅助装置(left ventricular assist device,LVAD)后,循环系统的血流动力学特性。方法通过弹性腔和电路原理建立集中参数模型,主要包括心脏、肺循环、体循环、冠状动脉循环。调整模型的输入值使得模型的仿真结果符合设定的目标值。结果仿真结果证实LVAD可以使心衰患者的总心排量恢复正常,同时对于心脏有明显的除负荷效果、增加冠脉血流量并降低肺动脉楔压,因此可以缓解心衰末期患者重要器官供血不足、心肌缺氧以及肺水肿等并发症。同时通过改变左心室辅助装置的转速,末期左心衰患者可以恢复一定的运动能力。结论 CAMSIM集中参数模型符合人体血液循环特点。模型仿真结果证实了LVAD对心衰的辅助作用。     

轴流式左心辅助泵的出口管道流场PIV 实验研究

研究轴流式左心辅助泵的出口管道内血流流场的分布情况,根据流动特性与血栓形成的关系,分析轴流血泵管道内的血栓形成风险。用二维粒子成像测速(PIV)系统测试轴流式左心辅助泵的出口管道中心截面内血液沿管道的流动情况,用三维粒子成像测速系统测试整个管道内的血液流动情况,实验过程中辅助泵的转速为（10 000±20）r/min,流量为8.05 L/min,通过分析出口管道内的血液流场结果,预测左心辅助泵管道内的血栓形成可能。结果表明,辅助泵的出口附近血液存在螺旋流动和明显的垂直于管壁的流动,但在流动中逐渐降低,整个管道内不存在回流、涡流和低速流动区域,管道内血液沿管道的流动速度在管壁边界层外由0 m/s迅速增大到极大值1.0 m/s以上。沿管道方向,管道内的血液流速分布范围由0.7 ～2.2 m/s降低至1.0 ～1.5 m/s。泵的出口附近紊流度为0.31,距离泵的出口较远处的紊流度降低至0.15,血液流动趋于平稳。由于管道内的流动平稳且不存在回流、涡流和低速流动区域,因此不易形成血栓。出口管道有助于消除轴流式左心辅助泵流出血液的螺旋流动和紊流,使血流平稳,减少对人主动脉的损伤。     

轴流血泵对心衰动物的辅助试验研究

选择 2 0只雄性健康成年绵羊 ,采用结扎冠脉方法建立心衰模型后 ,随机分为两组 ;心衰后实验组运用自制轴流血泵进行左心辅助 ,分别在结扎冠脉前、心衰后和左心辅助 1h测量两组动物各项血液动力学参数 ,探讨血泵的动力学输出和对衰竭心脏的辅助功能 ,并取标本进行光、电镜检查。通过测试实验组血液的FHB、Fib和主要器官的栓塞情况 ,观察血泵对血液的破坏程度。结果得出 :(1)选择性结扎冠脉比较适合作为LVAD的左心衰动物模型。 (2 )血泵的压力、流量输出能够达到辅助要求 ,血泵辅助流量可占总流量的 10 0 %。 (3)并联于左心房和腹主动脉的血泵是通过部分分流和提高主动脉舒张压方式促进心肌的恢复 ;病理检查结果与血液动力学结果推测一致。 (4 )实验组短期在体试验辅助 2 4h ,标准溶血指数NIH为 0 .0 8g/ 10 0L ,试验结束肾脏有散在白色斑块 ,血泵的进、出口与管道接口处覆盖一层薄薄白膜 ;血泵表面温度变化较小。     

人工心脏泵辅助对左心室血流动力学影响的数值研究

目的采用数值模拟方法研究人工心脏辅助装置植入对左心室内血流动力学的影响。方法首先利用心血管集中参数模型获取了健康状态、心衰状态以及人工心脏泵辅助状态下收缩末期左心室三维几何模型,其中选取超弹性材料Ogden为心肌材料,以左心房压力,主动脉压力以及通过左心室容积计算获取的左心室壁面位移作为边界条件,利用CFD方法对上述三种情况进行左心室的数值模拟。同时对比了健康时的模拟结果和生理状态下的左心室压力,以及心衰和人工心脏泵辅助两种状态下的血流动力学指标的差别。通过左心室压力和流速等评价灌注和负荷的情况,通过壁面切应力和涡流,评价人工心脏泵辅助后的左心室血流动力学变化规律。结果健康状态下模拟的左心室压力与生理指标相符合。在心衰和人工心脏泵辅助状态下,收缩期内左心室压力与健康状态比分别降低了1718 Pa和8455 Pa,辅助后左心室最大压力下降速度高于心衰时。人工心脏泵辅助后,舒张期壁面切应力峰值由4.3 Pa降低至3.8 Pa,收缩期壁面切应力峰值由4.1 Pa降低至1.3 Pa,射血速度峰值由1.61 m/s降低至0.68 m/s,主动脉瓣开放时间由0.25 s增加至0.65 s,左室射血分数由43.6%增加至52.7%,心室底端漩涡持续时间由0.35 s增加至0.51 s,顶端漩涡出现血流分离。结论左心室压力对比表明本研究方法可以用来模拟左心室的行为。人工心脏泵辅助能够快速降低心室内压力和心室负荷,增加灌注时间,提高器官灌注,降低左心室壁面切应力以及提高左心室内血液流场的涡流强度,延长涡流持续时间。     

轴流泵式全人工心脏的体外测试及对负荷反应特性

目的 在体外模拟循环台测试轴流泵式全人工心脏的基本负荷反应特性，为探索生理性控制方案提供基础。方法 轴流泵式全人工心脏样机采用2个轴流泵共同设置在刚性外壳中，直径65 mm，长度70 mm。于模拟循环台上串联连接组成全人工心脏的2个轴流泵，在外周动脉和肺动脉阻力不变的条件下观测前、后负荷变化对心脏输出量的影响。结果 在前负荷固定不变的条件下，增加后负荷时心脏输出流量逐步下降，增大泵转速可对抗后负荷对输出量的抑制，泵转速设定为右心泵8 500 r/min、左心泵11 000 r/min时，心脏输出压力为13.3 kPa（100 mmHg）和输出量6 L/min。当后负荷增大到26.7 kPa（200 mmHg）时心输出量下降为0 L/min。在后负荷固定不变的条件下，前负荷的增加不导致心脏输出量明显改变。设定左心泵转速为11 000 r/min、右心泵转速8 500 r/min时前负荷由0.27 kPa（2 mmHg）增加到1.87 kPa（14 mmHg），流量基本维持在7 L/min。结论 轴流泵式全人工心脏对后负荷增加表现出明显的流量抑制趋势，此趋势可通过调节泵转速改善。轴流泵式全人工心脏对前负荷反应不明显，有别于自然心脏，其机制及调节意义尚待进一步研究。     

具有分流和悬臂叶片尾导的轴流血泵设计分析

根据中国终末期心衰患者对左心辅助泵辅助人体血液循环的要求,设计以3 L/min流量、100 mm Hg压升为设计点,流量范围为2～7 L/min的微型可植入轴流血泵。该血泵采用纺锤形的转子叶轮结构以及带分流叶片、悬臂叶片的尾导结构,以使血泵在较宽的压力流量范围内具有良好的溶血和抗血栓特性。本文用数值模拟及粒子成像测速(PIV)的方法分析血泵的水力学特性、流场及溶血特性。结果表明:血泵转速为7 000～11 000 r/min时,在2～7 L/min的流量范围内可提供60.0～151.3 mm Hg的压升;分流叶片抑制了尾导的尾缘吸力面处的流动分离;悬臂式叶片结构将转子叶片的叶尖间隙变为尾导叶片的叶根间隙,间隙的切线速度由6.2 m/s降至4.3～1.1 m/s;血泵的最大标量剪切应力值为897.3 Pa,平均剪切应力值为37.7 Pa;采用Heuser溶血模型得到的溶血指数为0.168%;PIV试验所得泵内尾导区域的流场速度分布与数值计算得到的流场特征吻合良好。本研究所设计的轴流血泵的尾导具有分流叶片和悬臂叶片,流道内血流无较大分离流动,降低了剪切力对血液的破坏,溶血性能良好,压力流量性能满足临床需要。     

V-A ECMO的不同血流量对主动脉血流分布的数值研究

目的不同血流量的动静脉体外膜肺氧合(veno-arterial extracorporeal membraneoxygenation, V-A ECMO)对心脏、脑、肾脏和下肢血流灌注的血流动力学影响尚存在争议。本文采用数值模拟的方法研究V-A ECMO不同血流量对主动脉血流分布的影响。方法基于患者CT图像数据,采用MIMICS软件重建主动脉和ECMO插管模型,随后进行网格划分和边界条件设定,通过Adina软件进行流固耦合计算,分析心衰(heart failure,HF)、ECMO辅助1.0 L、1.5 L、2.0 L、2.5 L、3.0 L的血流动力学变化,研究体外膜肺氧合的效果。结果 ECMO辅助后,增加了脑部、肾脏和下肢血流。随着ECMO血流量增加,血液交汇面向主动脉弓移动。与其他辅助情况相比较,ECMO 3.0 L时头臂干血流量减少(HFvs.ECMO 1.0 Lvs.ECMO 1.5 Lvs.ECMO 2.0 Lvs.ECMO 2.5 Lvs.ECMO 3.0 L:1 339.3 mL/minvs.1 851.49 mL/minvs.2 027.26 mL/minvs.2 332.07 mL/minvs.2 611.04 mL/minvs.1 792.64mL/min)。ECMO插管侧即右侧股动脉血流明显减小,且随ECMO血流量增大整体呈现先减小后增加的趋势,而左侧股动脉血流量随ECMO血流量增加呈平缓增大的趋势,两侧股动脉血流量最大相差5.9倍(ECMO 2.0 L:186.90 mL/minvs.1 102.59 mL/min)。ECMO辅助后,降低了主动脉弓血流速度。高血管壁应力集中在主动脉内侧和头臂干根部。ECMO辅助后血管壁应力发生改变,在血流量最大时刻(1.696 s),最大应力逐渐增加(0.60 MPavs.0.61 MPavs.0.62 MPavs.0.63 MPavs.0.64 MPa)。结论V-A ECMO增加血液灌注,但血液交汇面对于脑血流量的影响值得关注。     

应用左心辅助装置(LVAD)对正常犬进行辅助循环效应的实验研究

七条犬应用左心辅助装置进行辅助循环,犬平均存活时间为17～45.5(24.5)小时,血泵输出量为883mL/分。死亡原因:室颤3例,出血及肺部并发症4例。左心辅助装置进行辅助循环的血液动力学效应是,心率减慢,心输出量和尿排出量增加,主动脉收缩压、左室收缩压和左室舒张末压降低。主动脉舒张压升高和冠伏动脉灌注增强。实验室检查:血浆游离血红蛋白逐渐增加而血浆纤维蛋白含量逐渐减少。尿素氮、CO_2结合率和血浆钾、钠含量均维持在正常范围。尸解显示在心肌、肝、肾、脾、肺及脑组织中可见局部出血、间质水肿及细胞坏死。     

基于心室功的血泵控制算法研究

针对外磁场驱动轴流式血泵的控制,提出基于心室功的控制算法。分析自然心脏和人工心脏之间做功关系,建立用于驱动血泵电机的控制模型,根据常态生理参数,对血泵的控制模型进行计算和实验。基于心室功的控制算法与其他控制算法比较,有利于评价左心室辅助装置的性能,更符合实际生理需求;充分发挥驱动电机效率,避免系统长期工作在高速阶段,从而避免系统高温,有助于抑制血泵对血液的破坏。     

Ⅰ型血泵左心辅助循环动物实验研究

为了对Ⅰ型血泵进行深入研究以便在此基础上进行改进，我们选择９只心脏正常犬进行左心辅助动物实验，以验证该泵的血液动力学输出性能、对心脏的辅助功能及对血液的破坏程度。在动物实验中，血泵放入胸腔内，进口通过静脉插管经左心房耳插入左心房，出口经过动脉插管插入升主动脉。输液、测试、辅助管路接通后，控制血泵的辅助流量为心输出量的２５～３０％左右。结果显示：１．辅助流量在５００～６００ｍｌ／ｍｉｎ时，主动脉收缩压可达１３０ｍｍＨｇ，证明Ⅰ型血泵输出性能满足辅助时生理血液动力学要求。２．辅助后，主动脉舒张压和心脏总输出量均升高，提示此血泵对冠状动脉血流量的增加及心脏泵血具有辅助功能。３．辅助４小时后，血浆中游离血红蛋白含量由２．４ｍｇ／ｄｌ升高到３．１ｍｇ／ｄｌ，纤维蛋白未发生明显变化，说明此血泵对血液有较轻的破坏     

新型深静脉旋切抽吸式取栓器的试制及模拟实验研究

目的:试制旋切抽吸式取栓器并进行体外模拟实验,研究抽吸流量以及转速对取栓效果的影响,并对比同类机械取栓器。材料和方法:试制取栓器,设计流体模型并搭建实验平台,准备6组实验,每组实验10个血栓样本,每个样本质量保持无统计学差异(P0.05),设置3组不同抽吸流量200 mL/min(A1),250 mL/min(B1),300 mL/min(C1)以及3组不同转速18 000 r/min(A2),25 000 r/min(B2),35 000 r/min(C2),实验过程中记录每一个样本质量,取栓时间和排出液体体积。结果:不同的抽吸流量情况下,取栓时间3者有显著差异(P0.05)且与抽吸流量呈负相关性,液体排出量3组无明显差异(P0.05),250 mL/min流量下取栓效果最好;不同的转速情况下3组实验取栓时间以及液体排出量均有显著差异(P0.05),2 5000 r/min转速下取栓效果最好。对比同类取栓器,在取栓时间以及打通速率上均有明显优势。结论:新型取栓器体外实验血栓清除率较高,清除时间以及排除液体量较现有同类取栓器有明显优势,体外碎栓能力较优。     

人体左心室三维有限元模型构建及流-固耦合动力学分析

有限元分析是研究心血管动力学问题的重要手段。本文基于中国数字人体心脏断层解剖图像,采用Visu-al C++可视化工具包对心脏外形及内腔结构进行三维重建,进一步基于结构模型构建了左心室、血液耦合有限元模型。在通用有限元分析软件ANSYS环境下使用双向流-固耦合方法对心脏灌注期心室壁受力与血液流动过程进行了动力学仿真。仿真结果成功实现了对心脏灌注期心室两阶段充盈过程中室壁应力与血液流体动态特性的定量分析。本研究提供了一种基于二维医学图像信息构建心室有限元模型,并进行心室血液流体力学模拟的新方法,为心脏生理及病理过程的定量有限元分析提供了一套可行的技术方案。     

叶轮泵式全人工心脏的结构设计及流体力学特性

目的通过模型样机研制和流体力学特性测试．探索以叶轮式血泵为结构基础的新型可完全植入的全人工心脏。方法全人工心脏模型样机分为左心泵和右心泵2个基本单位。2血泵均采用叶轮泵．共同设置在球形外壳中。2半球形外壳由高分子材料经激光快速成型制成．球形腔内设置固定左右心泵后对合为球形外壳．表面由医用聚氨酯橡胶涂层，直径55mm，总质量150g左右。在体外模拟循环台上对左心泵和右心泵的流体力学特性进行测试．主要观测指标为泵的转速、输出压力、流量、能耗和效率。模拟循环装置由模拟左右心房、血泵、阻力调节器、流量计串联组成，采用30％甘油水溶液作为循环介质。通过调节阻力测定特定泵转速下压力和流量。结果体外模拟测试表明全人工心脏模型样机可满足血液动力学基本要求，左心泵在9000-13000r／min转速条件下可以达到5-7L／min流量和13．3kPa（100mmHg）的压力输出，右心泵在约1／2左心泵转速和4．00kPa（30mmHg）后负荷下达到相似流量．可分别满足体、肺循环的要求。在该工作负荷条件下，2血泵的总效率约为14％。结论轴流泵作为人工心脏的血泵单位．流体力学特性可达到全人工心脏的基本要求．     

基于BP神经网络的旋转血泵生理控制

提出一种基于BP神经网络的旋转血泵生理控制方法,实现血泵植入者生理状态变化下控制器的自适应调节。控制器以临床主动脉平均压100 mmHg作为控制目标,利用神经网络自动学习的特性,采用3层神经网络在循环系统生理状态发生变化时在线调优血泵PID控制器的参数。该控制方法在血液循环系统数学模型中进行数值模拟验证,分别在模拟左心室衰竭、体循环阻力发生生理变化以及左心室收缩能力动态变化等条件下,接入改进后的PID控制器控制血泵转速,使循环系统中主动脉压力达到设定的正常值。结果表明,在上述多种不同的生理状态下,基于BP神经网络改进后的PID控制器均可以克服扰动,在经过约150 s调整时间后达到主动脉平均压100 mmHg的控制目标,并且稳态误差为零。该控制方法可以适应循环系统多种生理状态的变化,为后续的体外和动物试验提供有效的旋转血泵控制方法。     

多分支心血管循环系统的建模和仿真研究

应用功率键合图方法,建立了一种多分支心血管循环系统的计算机仿真模型,心描述心血管循环系统内血流动力学变量变化规律的状态２方程。该仿真模型较为细致地刻画了心血管系统的生理特性,形成了较完整的人体心血管循环系统的数字计算模型,此模型可模拟心血管系统生物特性,给出了相应的心力管动力学的仿真数据和波形,为进行心血管系统生理和病理等方面的计算机辅助数学和科研工作开辟了广阔途径。     

基于主动脉内血泵的集中参数模型研究

目的为研究主动脉内血泵出入口的压力差和血液流率之间的关系,并以此预测血泵的血流动力学参数,建立主动脉内血泵非线性集中参数模型。方法该模型依靠血泵本体参数,不包含循环系统的血流动力学参数。模型包括:电流源,与血泵转速相关,表示被血泵叶轮推出的流率;内阻,用来模拟主动脉内血泵径向间隙之间的阻力;电感,表示流过主动脉内血泵径向间隙的血液的惯性。结果模型可模拟从肺淤血到心室塌陷等各种心脏的生理状态。通过模型得到了血泵的特征方程,方程中参数值由体外循环实验确定。结论通过比较预测血泵压力差和实际测量压力差验证特征方程准确性,结果显示误差小于5%,因此该模型能够准确预测血泵压力差。     

机械取栓器取栓效果的影响因素

目的研究取栓口形状、抽吸流量以及血流速度对旋切抽吸式取栓器血栓抽吸效果的影响,为旋切抽吸式取栓器的设计和优化提供理论支持。方法建立3种取栓口("L"、"8"和"0"型)模型,研究取栓口形状对取栓的影响;以"8"型取栓口为基础,设置不同抽吸流量(75、100、125、150 mL/min)以及不同血液入口流速(0～10 cm/s,间距为1 cm/s),分析抽吸流量和血液流速对取栓效果的影响。结果 "L"型取栓口无法均匀地抽吸血栓,"8"型与"0"型取栓口的取栓效果差别不大,但"8"型取栓口附壁血栓清除率优于"0"型取栓口。当抽吸流量大于100 mL/min时,继续增大抽吸流量对取栓效果的提升有限。当血液流速小于1 cm/s时,抽吸效果最佳;随着血流速度增加,取栓效果逐渐下降。结论取栓口的形状、抽吸流量以及血液流速对取栓效果影响明显。选择宽而短的取栓口形状设计、适当提高抽吸流量以及降低血液流速,对取栓效果的提升有显著影响。研究结果可为旋切抽吸式取栓器的优化设计作指导。     

可植入旋转式心室辅助泵的现状及展望

可植入旋转式血泵主要包括离心泵及轴流泵;前利用离心力驱动血流时,泵转速2000～6000r／min,以非搏动血流为主,少数为搏动血流。动物实验最长存活23周。轴流泵利用高速旋转叶轮驱动血液。叶轮转速6000～20000r／min,以非搏动血流为主,最长动物实验存活6个月,近期可能应用于临床研究。同时介绍了血管内搏动性轴流泵一动力性主动脉瓣。另外还介绍了其它类型的旋转泵。并对可植入式旋转泵的研制提出了一些看法。