基于大涡模拟的磁悬浮血泵的正交实验优化设计研究

目的磁悬浮血泵避免了机械轴承引起的血液损伤,已大规模应用于临床治疗心衰。磁悬浮血泵实现了悬浮力和转子间隙大小的解耦,常采用较大的间隙以增强血液冲刷,降低间隙内应力,然而也导致血泵内湍流强度和血液损伤增加、水力学性能降低,使得预测水力泵性能的经验公式失效,给采用湍流模拟方法预测血泵性能、辅助优化设计带来挑战。本研究旨在利用大涡模拟方法发展磁悬浮血泵的正交实验优化设计方法,并研究不同湍流模拟方法对血泵优化设计的影响。方法利用大涡模拟方法,采用正交试验设计对自行研发的磁悬浮离心血泵进行了优化,研究流道主要设计参数间的主次关系及不同湍流模拟方法对血泵优化设计的影响。结果研究发现,对压头和效率影响最大的参数分别是叶顶间隙、出口安放角、包角和叶顶间隙、短叶片入口安放角、包角。叶顶间隙是影响最大的因素,且影响程度远大于其他因素。研究显示,对于不同湍流模拟方法,对血泵性能有关键影响的主要参数也不同;大涡模拟预测的性能曲线与实验值的吻合度最高,且预测的不同血泵模型的压头变化趋势与实验值相关性最高,可以更好的评估血泵性能、指导血泵优化设计。结论本研究为磁悬浮血泵的优化设计提供了科学方法和技术支撑。

离心式磁悬浮血泵内部流场数值仿真

目的探讨离心式磁悬浮血泵内部流场和血液流动性能,为离心式磁悬浮血泵的结构设计提供重要依据。方法利用计算流体动力学分析软件,采用K-ε模型、动网格技术和用户自定义函数(user defined function,UDF)技术,开展离心式磁悬浮血泵内部流场的三维数值模拟,分析离心式磁悬浮血泵流道的压力、流速分布,探索血液流量、血液压力与叶轮转速的关系。结果该血泵叶轮转速在1800～2000 r/min时,进出口压差为110～120 mmHg,出口流量在4.69～5.28 L/min范围内变化,可以满足人体血液循环需求。结论离心式磁悬浮血泵叶轮参数对其流场特性具有较大影响,可通过对叶轮结构的优化改善血泵的血流特性,进而节约成本,缩短研发周期。

离心式磁悬浮血泵溶血性能分析

对自主研制的离心式磁悬浮血泵,为分析研究其溶血性能,对其内流场进行建模,在Fluent中进行计算流体力学分析;搭建体外溶血实验装置,在设计工况下,测量一定时间间隔内血浆中游离蛋白含量及红细胞压积,计算出血泵的标准溶血指数。数值模拟结果显示血泵整个流道内静压力分布均匀,各流道间过渡平稳;内部壁面剪切力均在150 Pa以下,红细胞发生破坏与暴露时间无关。体外溶血实验得到标准溶血指数NIH值为(0.002 9±0.000 7)mg/L,符合人类生理学要求。

磁悬浮血泵流场分析与结构优化

在满足血泵出口压力的前提下,磁悬浮人工心脏血泵装置的发展主要趋向于小型化和轻型化,并具有良好的血液兼容性和流动性。基于流体动力学分析软件,通过设置血液流场边界条件,采用k-ε湍流模型,对血液流道进行三维建模,同时开展磁悬浮血泵内部流场的数值模拟仿真,分析血泵的速度场和压力场,探索叶轮参数对血泵扬程的影响。结果表明,5片叶片的叶轮压差较低,在相同叶片数下流道扩散角为58°时血泵的压差最高。

基于PWM的血泵调速控制系统设计及检测

目的设计基于ML4428的血泵PWM逆变器的双闭环调速控制器。利用最优PWM调法和针对ML4428调速电压受限的特点,考虑到在某些环境内可能达不到理想的调速范围这一因素,本文介绍了一种带有电压转换功能的PWM调速模块设计。方法模块使超出芯片调速范围的电压信号通过比较、编码,通过数字电子网络转换成为规定范围内的电压信号,实现血泵转速的PWM调制。基于此模块,分别在血泵控制电压恒定、入口压力恒定条件下,进行了一系列血泵转速检测试验。结果血泵可以在5～24V之间调整转速;额定工作控制状态下,即血泵入口压力固定在22mmHg、控制电压22V情况下,得到了血泵转数8000r/min,出口压力100mmHg,流量为5L/min的对应关系,测量结果可以满足初期设计的调速要求。

ChinaHeart左心辅助装置的动物在体存活实验

验证磁悬浮离心式左心辅助装置—ChinaHeart VAD的在体血液相容性和可靠性,评估其对实验动物主要终末器官的影响。通过6例健康绵羊的在体存活实验进行评估。在心脏不停跳的情况下,装置入口插入左心尖,出口与降主动脉吻合。术前和术后做血常规、生化及血凝检查,术后连续监测动物存活及辅助装置运行状况。择期动物安乐死后,进行终末主要脏器的宏观和病理学检查。4只羊术后3～28 h内因麻醉或手术意外死亡;2只羊成功复苏并分别辅助20 d和38 d后施行安乐死。对于成功存活的2例实验动物,术后护理期间血常规、生化和血凝检查结果均在正常范围内,辅助装置无机械故障发生。尸检时1只羊(存活20 d)血泵泵体内发现一肉眼可见小块血栓沉积,其余无血栓形成;组织病理检查发现2只羊左肺贴近辅助装置部位均可见有小叶性肺炎,其余终末脏器无明显病变发生。ChinaHeart VAD在体辅助期间血液相容性能良好,对各主要终末脏器无显著影响,具有较好的可靠性;动物存活实验中麻醉呼吸管理和手术操作也至关重要。

ChinaHeart左心辅助装置的体内动物实验评估

目的通过体内动物实验验证磁悬浮左心辅助装——China Heart VAD的运行可靠性及血液相容性,并观察China Heart VAD对实验动物主要终末器官的影响。方法择健康雄性绵羊6只,麻醉诱导、呼吸插管后开胸,将China Heart VAD植入体内。在心脏不停跳的情况下,形成由左心尖到辅助装置,再到降主动脉的辅助循环通路。术后常规护理并抗凝控制,术前和术后不同时间段分别做游离血红蛋白、血细胞和血液生化指标检查。术后连续监测辅助装置运行状况,待动物存活至预期时限进行安乐死手术,尸解做VAD内血栓探查及动物终末主要脏器的宏观和病理检查。结果 6例实验中,1台VAD在植入25d后停止运转,其余5台正常运转至实验结束;6例实验动物中有1例在术后第3天因肺部感染死亡,其余5例VAD植入后存活状态良好,术后细胞学和血液生化学检查结果均值在正常范围内;血浆中游离血红蛋白数值小于9.78mg/dL;因VAD停转行安乐死动物尸解时发现,血泵入口形成一个疑似来源于心肌内膜的增生组织,且叶片与泵壳之间同时附着一块血栓,其余5例装置内无任何附着物或血栓;组织病理学检查发现2例动物左肺贴近VAD装置部位均可见有小叶性肺炎,2例动物肾脏有局部坏死,其余终末脏器无明显病变发生。结论 China Heart VAD具有较好的可靠性,完全可以胜任长于一个月的连续心室辅助,且具有极优的血液相容性,对各主要终末脏器无显著影响。