微型轴流血泵溶血的数值模拟

基于N-S方程和标准K-ε湍流模型,采用非结构网格技术,对微型轴流血泵内部三维流场进行了数值模拟,得到了速度场、压力场等流场细节;同时采用Lagrange粒子追踪法获得了沿不同流线的剪应力以及红细胞暴露接触时间的分布,并引入溶血计算的经验公式,计算对比了不同转速条件下血泵的溶血指标,重点分析了血泵在5L/min、8000r/min工况下的溶血性能,对于血泵溶血的估算,本方法是可行的.     

Ⅱ型轴流血泵的溶血试验研究

0 引言 左心辅助装置的主体-血泵的发展已有40年的历史.     

轴流血泵入口管道流场的数值模拟与实验研究

目的研究轴流血泵入口管道内血流流场分布情况及血栓形成风险。方法利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟血泵及入口管道内流动情况,获取血流速度及其分布;用二维粒子成像测速(particle image velocimetry,PIV)系统测试轴流血泵入口管道中心截面内的血液流动情况及三维粒子成像测速系统测试整个管道内的血液流动情况。CFD计算和PIV实验中血泵的转速为8000 r/min,流量为5.0 L/min。通过分析入口管道内的流场分布评价血泵入口管道内的血栓形成风险。结果整个入口管道内不存在回流、涡流和低速流动区域,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0.8 m/s以上。管道内的血液流速集中分布于1.2~1.5 m/s范围,管道内的平均紊流度为0.17。结论由于管道内的流动平稳且不存在回流、涡流和低速流动,因此不易形成血栓。入口管道使血流平稳,有助于改善轴流血泵内的流场。     

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。     

流道型轴流血泵流体仿真与水力实验分析

为了研究血泵的水力性能,以课题组自制的流道型轴流血泵作为对象,通过计算流体动力学方法,建立血泵流体动力学分析模型,研究血泵叶轮的各个结构参数对血泵水力性能的影响,分别进行不同叶片数、轮毂比、叶型安装角、流道宽度、进出口轴径比参数下的血泵水力性能仿真计算与分析。此外,通过对比分析水力性能和流线图,研究前后导叶对血泵水力性能的影响。采用钛合金材料制作血泵实体,通过模拟人体血液循环回路形式搭建血泵水力试验台,流体介质采用纯净水和甘油混合配制而成的实验液体。在不同转速条件下,对血泵实际水力性能进行测试。水力实验结果表明,该流道型轴流血泵具有较好的水力性能,与计算流体动力学水力性能仿真结果能够较好地吻合,证明血泵性能可以初步满足人体生理需求。     

人工心脏圆盘泵的流动特性研究

人工心脏（血泵）一直存在泵体对血细胞剪切力过大和流速过快容易引起溶血的问题。为了研究人体正常血压情况下,血泵内部剪切力和速度场的分布情况,选择圆盘泵叶轮代替传统离心泵叶轮,对两种模型进行数值计算,分析不同叶轮内部剪切力和速度场的分布规律。研究表明传统离心泵内部流速高,叶片表面剪切力大,对血细胞的伤害大。圆盘泵相比传统离心泵,剪切力更小,流场速度分布均匀,流速更小。和传统离心泵相比,不同转速下圆盘泵能降低溶血的发生率。圆盘泵叶片数为6片时,抗溶血性能更好。研究结果为血泵的优化提供理论依据。     

基于CFD的液悬浮人工心脏泵叶轮入口优化分析

目的应用计算流体动力学方法(computational fluid dynamics,CFD)对离心式双向液力悬浮人工心脏血泵流场进行仿真分析,通过改进叶轮入口结构来改善血液在血泵的流动状态,从而提升其抗溶血性能。方法从影响血泵溶血性能的角度考虑,基于N-S方程和k-ε标准双方程湍流模型,应用软件FLUENT6.3对离心式人工心脏血泵流场进行数值模拟,分析在设计工况下,叶轮入口处的结构变化对泵内流场的影响,以及流场中最大速度与溶血水平之间的关系,并根据流场分析结果对血泵叶轮入口进行优化。结果经过优化,血泵内流场紊乱现象得到改善,影响溶血值的切应力和曝光时间均有所降低,溶血性能得到改善。同时,对于离心式双向液力悬浮血泵,在设计工况下,其流场中最大速度有作为流场优化过程中的直观指标参数的潜力。结论该研究的仿真分析可为离心式双向液力悬浮人工心脏的设计积累一定经验。     

基于传统轴流泵设计理论的人工心脏泵及其数值模拟

传统轴流泵设计理论主要用来设计大型工业泵,很多都是经验设计的总结,人工心脏泵的体积相比较而言则要小得多.本文改进了传统轴流泵的设计理论,结合人工心脏泵的工作条件和水力条件,引入了扬程范围判断和速度三角形修正相结合的方法,配合迭代逼近获得了人工心脏泵的初始模型,CFD模拟分析为模型参数选择提供了依据.结论表明,这种设计方法可以用来快速简单的获得一系列高效的人工心脏泵模型,具有一定的代表性.     

磁力驱动轴流血泵溶血实验和动物实验

目的对研制开发的一种新型的磁力外驱动轴流式心室辅助血泵的血液相容性能进行测试。方法利用特制血袋作为模拟循环管道,羊血作为循环介质,采用标准溶血指数衡量体外溶血实验性能。通过3只山羊12h在体实验衡量其在体适应性。结果实验测得轴流血泵体外实验标准溶血指数(NIH)为(0.158±0.043)mg/L。3例实验动物12h在体辅助无机械故障,血泵辅助后实验动物血液中游离血红蛋白(FHb)开始上升,最高达到164.8mg/L。结论磁力外驱动轴流血泵实验结果比较理想,值得进一步改进。     

后置导轮对人工轴流心脏泵的影响分析

后置导轮在人工轴流心脏泵工作过程中具有至关重要的作用,为了研究其对心脏泵的影响,利用计算流体力学(CFD)的方法,详细分析了后置导轮对人工轴流心脏泵工作情况的影响。通过对轴流心脏泵内整个流场的数值模拟,讨论了引入后置导轮后,轴流心脏泵的压强增量、效率、工作情况以及流体受力等重要参数的变化。计算结果表明:引入合适的后置导轮能够改善流场分布,限制出流的速度方向,提供足够的静压增量,有利于传输血液,同时基本保持了泵的效率不降低。因此,在人工轴流心脏泵设计过程中引入后置导轮是必要的,但需要对后置导轮的参数进行严格的分析。     

基于溶血性能的离心式旋转血泵设计

溶血性能是衡量血泵性能的一个重要指标.基于平均剪切应力模型,通过减少红细胞流经叶轮的时间和降低它在此过程中所受平均剪切应力的方法,对离心血泵进行设计,进而改善溶血性能.采用商用流体仿真软件Fluent,对血泵内的三维不可压湍流流场进行数值模拟,得到红细胞在血泵内的流动迹线和流动参数;应用溶血估算公式,分析不同流量下血泵的溶血性能,计算得到溶血估算值在0.006-0.015之间,有较好的溶血性能,满足血泵对溶血性能的要求.     

基于计算流体动力学的新型电磁驱动搏动式灌注血泵泵头优化分析

目的应用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对电磁驱动搏动式灌注血泵流场进行仿真分析,通过改进泵头结构改善血液在血泵的流动状态,提升其抗溶血性能。方法应用Fluent 17. 0分析泵头结构变化对泵内流场的影响,通过血液流入和流出的4次仿真实验,分析内部液体的流线分布、中轴面上的湍流动能分布、血液流经泵头的压力损失和模型表面受到的切应力。结果在4次实验中,泵头入口与出口管路对称且与对称轴的夹角α=30°时,液体流线无明显紊乱,湍流程度较低;实验1中压力损失最小,为376. 8 Pa;实验1、2中的最大切应力分别为258. 6、302. 8 Pa,符合压力损失和溶血程度等血泵生物力学性能要求。选择α=30°模型为该电磁驱动搏动式灌注血泵的泵头结构,并通过3D打印技术进行制作。结论经过对泵头的优化分析,血泵溶血性能得到改善。研究结果可以运用到新型电磁驱动搏动式灌注血泵的设计与实验中。     

叶片倒角对FDA标准血泵流场和溶血预测的影响

目的采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法研究FDA标准离心血泵叶片倒角对流场和溶血的影响。方法针对FDA标准离心泵,模拟3个工况下水力学性能、流场形态、溶血指数等血泵关键性能,并进一步比较叶片结构有、无倒角时对前述模拟结果造成的影响。结果血泵叶轮倒角对血泵压头(无倒角特征与有倒角特征压头计算值最大百分比差异为57.38%)、流场等均有影响,从而导致溶血预测值也有显著差别(两者最大误差超过1个数量级)。结论对叶轮进行有倒角处理有助于优化血泵的性能。研究结果对更好使用CFD辅助血泵的血液相容性设计具有重要意义。     

新一代左心室磁悬浮辅助泵血流动力学分析

目的降低左心室磁悬浮辅助泵的血栓形成概率和溶血风险,提升辅助泵供血效率。方法利用计算流体动力学方法,研究泵体出口直径、出口角度、出口与泵内壁面连接处圆角尺寸和转子与壳体间间隙对流场的影响,优化泵体内部结构,改善流体动力学性能。结果新一代左心室磁悬浮辅助泵与上一代辅助泵相比,泵内壁面最大壁面剪切应力(wall shear stress,WSS)降低约23. 6%,辅助泵内转子壁面最大WSS降低约47. 4%,WSS200 Pa区域面积降低约76. 2%,出口流量提升约14. 4%。结论新一代左心室磁悬浮辅助泵内部血流流迹趋于平缓,血流流体动力学性能有综合提升。研究结果为今后左心室磁悬浮辅助泵的优化设计及相关实验研究提供参考依据。     

基于流线法的轴流式心室辅助血泵叶片的设计

设计轴流式血泵叶片,并在三维绘图软件中进行建模,为流体动力学分析(CFD)和实体加工做准备。应用流线法,依据线性修正环量分布规律和翼型加厚规律,合理选择叶片进出口冲角,通过给定血泵流量和扬程,获得绘制翼型叶栅的数据参数,应用绘图软件进行建模。对翼型叶栅工作面和背面曲线点数据进行处理,在UG NX中完成了血泵叶片的建模。与升力法设计相比,应用流线法设计轴流式血泵叶片,减少了凭经验修正产生的误差,减小了叶片的扭曲。     

第3代人工心脏泵研究进展及应用

心力衰竭死亡率极高,患病数量持续攀升,是当今医学界面临的共同难题,人工心脏泵是众多心衰患者延长生存期最后的希望和最有效的途径。第3代人工心脏泵的开发与应用,将心力衰竭治疗推向一个新台阶。首先概述第3代人工心脏泵的研究现状和应用情况,并介绍国内第3代人工心脏泵的发展状况;其次,详述和总结第3代人工心脏泵相关的关键技术,如:悬浮技术、无轴承电机、泵用控制算法、叶轮优化设计、血液相容性等;最后,提出并探讨小型轻量化、仿生搏动性、智能控制技术、血液相容性、可靠性及容错技术等方面的研究趋势。     

Design of a miniature implantable left ventricular assist device using CAD/CAM technology

In this study, we developed a new miniature motor-driven pulsatile left ventricular assist device (LVAD) for implantation into a Japanese patient of average build by means of computer-aided design and manufacturing (CAD/CAM) technology. A specially designed miniature ball-screw and a high-performance brushless DC motor were used in an artificial heart actuator to allow miniaturization. A blood pump chamber (stroke volume 55ml) and an inflow and outflow port were designed by computational fluid dynamics (CFD) analysis. The geometry of the blood pump was evaluated using the value of index of pump geometry (IPG) = (Reynolds shear stress) × (occupied volume) as a quantitative index for optimization. The calculated value of IPG varied from 20.6Nm to 49.1Nm, depending on small variations in pump geometry. We determined the optimum pump geometry based on the results of quantitative evaluation using IPG and qualitative evaluation using the flow velocity distribution with blood flow tracking. The geometry of the blood pump that gave lower shear stress had more optimum spiral flow around the diaphragm-housing (D-H) junction. The volume and weight of the new LVAD, made of epoxy resin, is 309ml and 378g, but further miniaturization will be possible by improving the geometry of both the blood pump and the back casing. Our results show that our new design method for an implantable LVAD using CAD/CAM promises to improve blood compatibility with greater miniaturization.     

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。