基于AMESim的人工心脏瓣膜脉动流实验系统设计方法研究

基于人体血液循环系统的基本生理学知识,确定人工心脏瓣膜脉动流实验系统的工作原理及设计方案。根据人体健康、运动、心衰三种生理状态下各种生理参数的范围,确定人工心脏瓣膜脉动流实验系统的设计要求及参数指标。依据血液循环系统主要组成部分的功能和特征以及流体力学相似性理论,设计脉动流模拟循环系统。将人体血液循环系统类比为流体系统,应用AMESim仿真软件搭建脉动流实验系统的等效流体系统模型,模拟健康、运动、心衰三种生理状态下的血流动力学特性,并将仿真结果与实验系统的关键参数指标,如左心室压力、主动脉压力及脉动血流量进行对比,分析在各种典型参数下得到的仿真结果是否与真实人体生理参数吻合,以此验证人工心脏瓣膜脉动流实验系统设计的合理性。

人工心脏瓣膜脉动流实验的历史——纪念应用人工心脏瓣膜70周年

脉动流实验不仅能在临床前对各种人工心脏瓣膜(prosthetic heart valve,PHV)的临床安全性和有效性进行评估,而且在最新的计算模型和流体仿真实验中起重要作用,能够为PHV的性能优化提供实验依据,被认为是评价PHV流体力学性能的金标准。本文主要回顾脉动流实验的发展历史,阐述常用脉动流模拟装置的特点,并讨论脉动流实验未来的发展方向。目前国外在脉动流模拟装置的研发方面处于领先地位,国内在此领域有很大的发展空间,期望能得到进一步的关注和研究。

25#超微孔膨体聚四氟乙烯人工二尖瓣体外脉动流性能评价

背景:超微孔膨体聚四氟乙烯是新型血液相容性高分子材料,具有不降解、抗钙化功能,用其制作的人工柔性瓣叶心脏瓣膜理论上可有良好的抗血栓、抗钙化性能和流体力学特性。目的:对自行研制的四瓣叶、无支架、带腱索人工二尖瓣——25#超微孔膨体聚四氟乙烯人工二尖瓣(UPMV)进行体外脉动流检测。设计、时间及地点:体外对比实验,于2003-05/2005-02在南方医科大学南方医院胸心血管外科实验室及湘雅二院胸心血管外科实验室进行。材料:25#UPMV的制作材料选用超微孔膨体聚四氟乙烯片状材料,由W.L.GORE&Associates,Inc.Medical Products Division制造。CL-III型人工机械心脏瓣膜为兰州飞供仪器总厂医疗器械制造厂制造。方法:25#UPMV组为6例自行缝制成的UPMV,安装直径为25mm;25#人工机械瓣组采用6例CL-III型人工机械心脏瓣膜,安装直径为25mm。主要观察指标:使用TH-1200型人工心脏瓣膜体外脉动流试验台对两组瓣膜进行检测,观察流量为2,3,4,5,6L/min时的平均跨瓣压差、开口面积和返流量。结果:①平均跨瓣压差:25#UPMV组在不同流量时均小于10mmHg,不同流量下25#UPMV组平均跨瓣压差均低于25#人工机械瓣组(P=0.000)。②有效开口面积:25#UPMV组在不同流量时均高于1.5cm2,流量为3,5,6L/min时,25#UPMV组有效开口面积大于25#人工机械瓣组(P<0.01)。③返流百分比:25#UPMV组在不同流量时均小于10%,流量为2,3L/min时,25#UPMV组返流百分比低于25#人工机械瓣组(P<0.01)。结论:25#UPMV在体外脉动流下的平均跨瓣压差、有效开口面积和返流百分比均符合国家标准,总体表现优于25#CL-III型人工机械心脏瓣膜。

27#超微孔膨体聚四氟乙烯人工二尖瓣体外脉动流性能检测

目的对自行研制的四瓣叶、无支架、带腱索人工二尖瓣(UPMV)进行体外脉动流检测。方法27#UPMV使用TH-1200型人工心脏瓣膜体外脉动流试验台进行检测,对照组采用27#CL-Ⅲ型人工机械心脏瓣膜。结果在流量为2、3、4、5和6l/min时,27#UPMV在体外脉动流下的平均跨瓣压差分别为(1.618±0.497)、(3.448±0.440)、(4.825±0.434)、(5.494±0.446)和(7.482±0.455)mmHg;有效瓣口面积分别为(1.773±0.364)、(2.113±0.305)、(2.409±0.295)、(3.326±0.417)和(4.522±0.445)cm2;返流百分比分别为(5.357±0.509)、(5.407±0.110)、(4.999±0.182)、(4.010±0.254)和(2.584±0.114)%。结论27#UPMV在体外脉动流下的平均跨瓣压差、有效开口面积和返流百分比均符合国家标准,总体表现优于27#CL-Ⅲ型人工机械心脏瓣膜。

非缝合式无支架异种主动脉生物瓣膜的研制

目的:研制新型非缝合式无支架异种主动脉生物瓣膜,在体外对其功能进行初步研究。方法:将猪主动脉瓣缝合到NiTi形状记忆合金支架上,在离体猪心脏内置入新型瓣膜,肉眼及彩超下观测瓣膜闭合、冠状动脉血流及瓣周漏情况。通过TH-1200型人工心脏瓣膜脉动流测试系统测定25#非缝合式无支架异种主动脉生物瓣膜平均跨瓣压差、返流百分比、瓣膜开口面积。结果:新型瓣膜能较简单的植入离体猪心脏内。且不同压力(80～250 mmHg)下,瓣膜闭合良好,无明显瓣周漏,冠状动脉血流良好;心脏彩超检测瓣周结构与主动脉壁之间可见无回声间隙,无明显的瓣周漏。体外脉动实验提示新型瓣膜与机械瓣膜相比跨瓣压差小,返流少,开口面积大。结论:该型瓣膜制备相对简单,具有血流动力学良好,跨瓣压小,无需抗凝等优点,可简化手术操作,降低手术难度。

经导管瓣膜瓣中瓣模式下流体力学性能体外测试及评价

目的随着生物瓣膜毁损病例的增加,越来越多的经导管瓣膜作为瓣中瓣被应用于二次瓣膜置换手术,但其流体力学性能鲜有报道。本文将经导管瓣膜安装在生物瓣膜内形成瓣中瓣结构,并对其流体力学性能进行体外测试及评价。方法将经导管瓣膜(23 mm、27 mm、29 mm)分别安装在对应规格生物瓣膜(23 mm、27 mm、29 mm)中形成瓣中瓣,进行稳态前向流实验、稳态反向泄漏实验、脉动流实验,对其流体力学性能进行评价,并与同规格生物瓣膜流体力学性能进行对比。结果稳态前向流实验中,同一规格的经导管瓣中瓣跨瓣压差随着前向流量的增大而增大。稳态反向泄漏实验中,同一规格的经导管瓣中瓣泄漏量随着反向压力的增大而增大。脉动流实验中,经导管瓣中瓣和生物瓣膜的平均跨瓣压差、返流百分比和有效瓣口面积变化趋势相同。对于同一规格的经导管瓣中瓣和生物瓣膜,随着心输出量的增加,跨瓣压差增大,返流百分比减小,有效瓣口面积增大;在同一心输出量下,随着经导管瓣中瓣和生物瓣膜规格的增大,跨瓣压差减小,返流百分比增大,有效瓣口面积增大。结论经导管瓣中瓣体外脉动流性能指标满足YY/T1449.3—2016标准中经导管瓣膜的性能要求,且其脉动流性能与同规格生物瓣膜相比无明显差异。该经导管瓣中瓣具有良好的血流动力学性能。

生物瓣膜流固耦合分析的PISO算法研究

应用任意拉格朗日欧拉法推导了生物瓣膜与血液的耦合方程,并借助压力隐式算子分割算法对血液的动量方程进行离散,得到耦合过程的速度迭代方程。根据Fluent中的压力隐式算子分割算法PISO(Pressure implicit with splitting of operators)对生物瓣膜模型进行动态力学分析,得到了生物瓣膜的变形情况。仿真分析结果显示生物瓣膜的变形主要发生在每片瓣叶的自由边,而腹部的变形较小,而且在瓣膜打开的过程中自由边会出现卷曲。对生物瓣膜使用同样的环境进行脉动流实验模拟,得到了相同的结果。仿真和实验结果证明,该方法可以用在生物瓣膜的流固耦合分析中,同时也为生物瓣膜的进一步优化提供了参考。

一种新型干性生物瓣膜耐久性能体外测试及评价

随着生物技术的发展,近年来出现了通过覆盖钙结合位点的牛心包处理技术,并以此为瓣叶材料制备出干性生物瓣膜。由于干性生物瓣膜临床应用时间短,尚缺少长期耐久性数据。本研究采用体外加速方法,对一种干性生物瓣膜耐久性能进行测试及评价。选取23和32 mm这两个规格干性生物瓣膜进行体外耐久性能测试。通过瓣膜脉动流实验、瓣叶热力学分析和显微镜下胶原纤维观察,对其耐久性能进行评价。经过2亿次循环(模拟临床使用5年),干性生物瓣膜流体力学性能无明显变化,其中23 mm规格干性生物瓣膜平均跨瓣压差有所升高,但仍处于同规格生物瓣膜较低水平;32 mm规格干性生物瓣膜平均跨瓣压差几乎没有变化。有效瓣口面积基本一致,返流百分比无明显变化,说明干性生物瓣膜未发生明显的狭窄和返流,能量损失无明显变化,说明瓣膜的效能无明显降低。瓣叶材料的热力学变性温度由96.6℃降至91.2℃;在双光子共聚焦显微镜下观察,同样测试条件下亮度变暗,但胶原纤维形状未发生变化,仍是卷曲的立体结构,说明胶原纤维含量降低,化学键部分丢失,与热变性温度表现一致。干性生物瓣膜耐久性能实验后,微观结构发生一定变化,但仍具有良好的流体力学性能。

介入瓣膜瓣中瓣模式下耐久性能测试及评价

目的随着之前植入外科人工生物心脏瓣膜患者瓣膜毁损的病例增加,介入瓣膜瓣中瓣越来越多地被用于临床。由于其临床应用时间不长,目前没有长期临床数据可以参考,故实验采用体外加速方法,对一种介入瓣膜瓣中瓣耐久性能进行测试及评价。方法将23 mm、27 mm、29 mm 3个规格(牛心包材质)介入瓣膜作为瓣中瓣分别安装在23 mm、27 mm、29 mm对应规格外科生物心脏瓣膜中,通过预扩达到相同的内径后进行体外加速疲劳耐久性能测试,每5 000万次对其脉动流性能进行测试。2.0亿次疲劳测试后,对瓣叶进行热力学分析、双光子共聚焦显微镜下观察瓣叶胶原纤维结构。结果经过2.0亿次耐久性能测试,介入瓣膜瓣中瓣平均跨瓣压差无显著变化[23 mm:1.92~1.98 kPa(14.4~14.9 mmHg);27 mm:0.92~1.64 kPa(6.9~12.3 mmHg);29 mm:0.72~1.02 kPa(5.4~7.4 mmHg)],有效瓣口面积基本一致(23 mm:1.45~1.66 cm^(2);27 mm:1.88~2.17 cm^(2);29 mm:2.24~2.54 cm^(2)),反流百分比减小(23 mm:7.2%~3.3%;27 mm:14.9%~3.3%;29 mm:14.7%~3.9%),脉动流性能满足YY/T 1449.3—2016标准的要求,具有良好的脉动流性能。瓣叶材料的热力学变性温度降低,从(105.4±0.9)℃变为(98.1±0.5)℃(P <0.05)。瓣叶材料中胶原纤维形状发生变化,由疲劳测试前卷曲的立体结构变为疲劳测试后波浪形线状结构。结论经过模拟临床使用5年(2.0亿次)体外疲劳测试后,虽然介入瓣膜瓣中瓣瓣叶材料发生蠕变,胶原蛋白纤维结构发生变化,热变性温度降低,但瓣膜整体仍具有良好的流体力学性能。

Experimental Study of Seepage Properties of Non-Darcy Flow in Granular Coal Gangues

By using the steady-state seepage method, a patent seepage device together with the MTS815.02 Rock Mechanics Test System is used to test the seepage properties of non-Darcy flow in a granular gangue with five different grain sizes during the compaction. The experimental results show that the seepage properties are not only related to the stress or displacement level, but also to the grain size, the pore structure of the granular gangue, and the current porosity The permeability and the non-Darcy flow coefficient can be fitted respectively by the cubic polynomials and the power functions of the porosity, Formally, the flow in granular gangue satisfies the Forchheimer＇s binomial flow, but under the great axial and confining pressure and owing to the grain＇s crushing, the flow in granular gangues is different from that in rock-fills which are naturallv oiled un. As a result, the non-Darer flow coefficient may be negative.

Filaments in high-speed counter-streaming plasma interactions driven by high-power laser pulses

Interactions of two counter-streaming plasmas driven by high power laser pulses are studied on Shenguang II laser facility.Filamentary structures were observed in the interaction region after the electrostatic shockwave decay.Theoretical analysis and observations indicate that the filaments are because of collisionless mechanisms,which are caused by the electromagnetic instability,such as the beam-Weibel instability.Collision experiments were also carried out for comparison and no filaments were generated.