主动脉穿刺型轴流血泵折边结构叶轮的数值模拟及溶血分析

为解决血泵因叶顶间隙泄漏而造成溶血和血栓等问题,引入了一种折边不等间距叶轮,采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)进行内部流场的数值模拟,并与非折边不等间距叶轮及折边等间距叶轮进行对比分析,研究了它们的内流场动力学特性和血液相容性.结果表明:折边叶片结构血泵避免了叶顶间隙泄漏流的产生,同时折边不等间距叶轮减少了叶轮入口和出口处的回流和涡流,流道内整体切应力低于其他2种叶轮;3种叶轮的溶血指数HI均满足血泵的溶血设计指标,其中,折边不等间距叶轮血泵壁面切应力在0~150 Pa的占比达96.84%,曝光时间相对集中且满足人工血泵设计要求,溶血指数较非折边不等间距叶轮血泵下降了3.50%,较折边等间距叶轮血泵下降了12.50%,溶血性能最优.提出的折边不等间距叶轮血泵可有效降低红细胞破损概率,减少溶血和血栓的发生,可为轴流血泵的结构设计和优化提供一定参考.

运用三维数值模拟对人工心脏轴流血泵的设计和改进

目的设计、开发在性能上能满足左心室辅助要求的轴流式心脏辅助泵。方法使用Numeca软件和运用现代叶轮机设计技术对人工心脏轴流血泵的内部流场情况进行数值模拟,对局部的回流、倒流和涡流现象进行改进,根据最终的数值模拟结果对流道和叶型进行设计。然后,对外轴承方案也进行数值模拟。结果通过Numeca软件的数值模拟后改进,大大抑制了轴流泵内部的混乱流动,改善了流动状况,提高了轴流泵的血液相容性。对外轴承方案进行初步的数值模拟结果表明,随着机匣扩展角的增加,倒流现象逐渐得到抑制,流动情况得到改善。结论本研究应用Numeca软件和现代叶轮机设计技术开发设计的轴流泵,在流体力学性能和血液相容性能上达到了左心室心脏泵的辅助要求。具有创新性的外轴承方案值得进一步探索。

Ⅱ型叶片轴流血泵的研制及体外流量实验

在自制Ⅰ型离心血泵和借鉴国外同类血泵的基础上 ,我们通过改变泵的整体结构、叶片角度、材料、密封方式和加工手段等 ,又自行设计和加工另一微型轴流血泵 -Ⅱ型血泵 ,它由泵体、直流无刷电机、叶轮、一对磁片、导流槽和支撑架等部件构成 ,总长度 12 5mm ,容积 147ml,材料是TC4钛合金 ,总重量 380g。我们根据不同的压力、流量输出要求 ,设计、加工出五、四、三叶片的叶轮。在模拟试验台 ,我们分别测试此泵的动力学输出、产热和密封性能。结果显示 :(1)五叶片泵在 80 0 0rpm时输出为 6 .8L/min、12 0mmHg ;根据各叶片泵的输出曲线得出 :五、四、三叶片泵的压力和流量均随着转速的升高而升高。 (2 )当前负荷为 0mmHg时 ,五、四、三叶片血泵转速80 0 0rpm流量为 5 .0L/min时 ,所对应的最大的压力约为 170mmHg、16 0mmHg和 130mmHg ,可见在同流量输出情况下 ,随着叶片数的减少压力随之降低。 (3)五、四、三叶片泵的流量、压力输出受前负荷影响较小。 (4 )血泵的效率随着转速的升高而升高。 (5 )在 12 0h的连续运转过程中 ,血泵的表面温度变化较小 ;密封性能也较好。

自制轴流血泵溶血实验

在XZ-Ⅱ型轴流血泵基础上,通过计算机流体辅助设计,改进研制出XZ-ⅡA型轴流血泵,之前对其结构、材料、产热和动力学输出性能等做过论述[1],但是其体外溶血性能以及在体适应性都没有检测。这里通过体外模拟循环实验,初步检测XZ-ⅡA型轴流血泵体外溶血性能,通过动物在体实验衡量其在体适应性。试验测得XZ-ⅡA型轴流血泵体外实验NIH值为(0.0473±0.0165)mg/dL。四例实验动物16h在体辅助无机械故障,血泵辅助后实验动物血液FHb开始上升,平均最高达到(32.06±4.64)mg/dL。XZ-ⅡA型轴流血泵实验结果与国外同类型血泵比较不是很理想,应用于临床前仍需做大量改进。

可植入式微型轴流血泵流场的数值模拟

利用CFD技术对血泵内部流场进行分析可以大大缩减血泵的研制周期和成本,采用非定常的三维N-S方程和基于非结构网格的有限体积法,利用k-ε湍流模型和滑移网格模型,对一可植入式轴流血泵进行了三维数值模拟,得到满足生理要求的扬程曲线。同时对泵内流场进行了分析,对导流叶片的作用及其对内部流场、扬程的影响进行了探讨,为血泵的进一步优化设计提供了参考依据。

可植入微型轴流血泵溶血实验研究

目的通过自制轴流血泵进行体外、体内溶血实验,探讨血泵的溶血特性。方法轴流血泵置于充满新鲜羊血的模拟循环通路中,在输出流量为5L/min,后负荷压力为100mmHg的条件下,检测血泵体外溶血水平。在3只健康绵羊体内植入血泵进行在体辅助实验,并稳定运转24h,测定其在体溶血水平。结果可植入微型轴流血泵的体外溶血指数(normal index of haematolysis,NIH)为(0.01644±0.00018)g/100L。在体实验中,血泵运行无机械故障,循环辅助后血浆游离血红蛋白(plasma free hemoglobin,FHb)及乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase,LDH)呈现上升趋势,平均最大值分别达(79.3±7.1)g/100L、(622.3±22.5)U/L。结论血泵溶血性能在可接受范围内,接近于部分国外三代血泵溶血水平,初步具备进入动物辅助实验研究水平。

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。

XZ-ⅡA型轴流血泵的研制及体外流体实验

在自制XA Ⅱ型轴流血泵的基础上 ,结合计算机辅助设计 (computer aideddesign ,CAD)以及计算机流场分析 (computationalfluiddynamics ,CFD) ,通过改变泵的结构、叶片螺距、密封方式、材料加工手段自行研制和加工出一款微型轴流血泵XA ⅡA型血泵。它由泵体、直流无刷电机、钛合金叶轮、陶瓷轴承等部件构成 ,材料TC4钛合金 ,总重量 2 4 5g。在体外流量实验中 ,分别测量血泵的动力学输出、流量输出要求、产热以及密封性能。结果显示XA ⅡA型血泵能够满足设计的要求 ,在 12 0h连续运转过程中 ,血泵表面温度变化较小 ,而且密封性能很好。

轴流血泵最佳左心辅助下的速度变化及内流场分析

为解决轴流血泵恒压或恒转速辅助时产生的抽吸或反流现象,以自主研发的主动脉瓣轴流血泵为研究对象,建立“轴流血泵-血液循环系统”串联耦合多尺度参数模型,得到血泵变转速辅助时在各级心衰条件下达到最佳辅助状态时的转速变化曲线.相比恒转速辅助,变转速辅助的血流动力学结果与正常心脏的拟合度更高,也符合人体生理.采用CFD技术对Ⅳ级心衰下2种辅助状态在1个心动周期中的内流场进行比较分析,发现变转速辅助下,轴流血泵在等容收缩期、等容舒张期、充盈期会产生明显的涡流,过流时间较长,但剪切应力较小,不会造成溶血;在射血期,变转速辅助的流动更加稳定,没有涡流现象产生,但其剪切应力在0.10 s内高于临界值500 Pa,会产生溶血现象.

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。

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。

轴流血泵的研究进展

心力衰竭是各种心脏病患者最主要的死亡原因。近年来,终末期心力衰竭的治疗日益成为临床心血管医师所面临的巨大挑战。由于药物治疗和常规外科手术的局限性,以及供体心脏的缺乏,促进了心脏机械辅助循环装置的快速发展。电机学、机械工程学、流体力学、材料学和医学等多学科的联合研发,探寻可长期植入式新型叶轮血泵已成为当今国内外的研究热点。轴流血泵具有结构简单、重量轻、流量大、效率高、易植入和取出等优点,同时无需安装人工瓣膜,减少了血栓形成的几率。与离心泵相比较,轴流血泵体积更小,血液破坏程度更轻。目前轴流血泵的研究已经成为心脏外科和生物医学工程领域关注的焦点。现对轴流血泵的工作原理、特点和当前轴流血泵研究中面临的一些关键技术问题进行综述。

国产轴流血泵的血液相容性特征:验证性观察(英文)

背景:轴流式血泵是用于心室辅助的主要泵型。前期大量研究结果表明血泵内的不良血液流动特性是导致溶血和血栓的重要因素。目的:在前期轴流血泵的设计图基础上,利用计算机优化技术和计算流体力学的方法,通过改变血泵整体形态及叶轮形状设计一轴流血泵,并装配成型。设计:采用加工后实际测试验证理论设计的合理性。单位:首都医科大学附属北京安贞医院-北京心肺血管疾病研究所生物医学工程研究室与中国航天科技集团总公司北京十四所。材料:血泵泵体及叶轮为钛合金材料,轴承为陶瓷轴承。体外测试用首都医科大学附属北京安贞医院生物医学工程研究室的人工心室辅助装置试验测试台。实验用羊由首都医科大学附属北京安贞医院实验动物房提供。方法:于2005年初开始,首先在中国航天科技集团总公司北京十四所,利用计算机优化技术和计算流体力学技术,基于最大限度减小剪切力和减少流动死区的原则基础上设计血泵的整体形态、叶轮数目和形状、导叶轮的结构和位置以及叶轮的螺距。然后使用数控机床加工成型。最后将轴流血泵安装到首都医科大学附属北京安贞医院生物医学工程研究室的人工心室辅助装置试验测试台上,在输出条件为5L/min流量和13.3kPa压力,流体介质为甘油和水混合液以及新鲜抗凝羊血的条件下,血泵运转4h,每隔0.5h取血样标本。这样通过测试血泵的压力流量输出,以标准溶血指数反映血浆中游离血红蛋白含量,观察泵内血栓形成情况验证血泵的动力学输出性能及血液破坏程度。结果:加工成型后的轴流血泵为泵-机一体结构,包括泵体、叶轮、导叶轮、陶瓷轴承以及进出口等,容积63mL。体外实验结果证实,当血泵运转速度为10000r/min时,它的压力、流量输出为21.01kPa和6.0L/min,其动力学输出性能可以满足患者左心辅助需求,血泵连续运转时其表面温度变化不明显。计算流场显示血泵的内部大多呈层流状态,血泵的体外测试标准溶血指数为(0.047±0.017)g/100L,此数值远远低于以前的轴流血泵,且在血泵内部没有任何血栓形成。结论:经过CAD和CFD方法设计的轴流血泵,在满足左心辅助的压力、流量输出要求同时,血液破坏程度远远小于以前的轴流血泵,提高了轴流血泵的血液相容性。

微型轴流血泵后导叶对流场的影响研究

基于CFD技术和激光多普勒测速、高速CCD等流场测试手段,研究了几种典型工况下微型轴流血泵内部及其出口的流场。揭示了导叶内部回流、漩涡,以及出口流动滞止区、二次流等流动细节;实验对比了两种不同结构后导叶的出口流场,发现导叶A的出口流场二维流动明显,符合血泵流场的需要,此研究为进一步开展血泵后导叶的优化设计提供了依据。

基于激光三维扫描技术的微型轴流血泵叶轮加工精度检测

目的检测微型轴流血泵的转子叶轮加工精度,建立叶轮形状复杂的微型血泵叶轮加工精度检测方法。方法本文采用激光三维扫描技术获得FW-2型轴流血泵叶轮的点云,利用逆向工程软件Geomagic Studio对点云进行处理后建立三维模型。将建立的叶轮模型与设计的叶轮模型导入GeomagicQualify软件进行对比,即可分析具有复杂曲面的FW-2型轴流血泵转子叶轮各个型面的加工精度。结果对比激光扫描得到的叶轮模型与设计的叶轮模型,结果显示FW-2型轴流血泵转子叶轮整体加工精度符合要求,只有极小区域加工精度较低。结论激光三维扫描结合逆向三维建模技术是微型血泵复杂叶轮的加工精度检测的有效方法。本研究为微型血泵叶轮检测提供了一种新思路,对确定血泵使用过程中的血栓形成原因,改进血泵设计具有重要意义。

基于CFD的轴流血泵内部流场的数值分析

运用计算流体动力学(CFD)对轴流血泵的流体动力学特性进行分析。研究血液流经叶轮的速度、压力、剪切变形率等参数的分布以及螺旋叶片对血液的破坏作用。结果表明:血液在叶轮内的流动是一种非常复杂的三维流动,而基于流线型的叶轮设计可以避免血液在流动过程中产生湍流、涡流以及较高的剪切力。血液流经血泵的速度场、压力场及剪切变形率的分布都比较均匀,变化梯度小,从而有效的减少血液破坏。

新型磁耦合式轴流血泵

为了更好地解决旋转式叶片血泵的密封问题 ,本文中采用磁耦合驱动方式 ,设计、加工一小型轴流血泵。血泵由泵体、直流无刷电机、叶轮、一对磁片、隔膜、导流槽和支撑架等部件构成 ,总长度 12 5 m m,容积147m1,材料是 TC4钛合金 ,总重量 380 g。体外和在体试验中分别测试血泵的动力学输出、密封、产热和血液破坏等性能。结果显示 :1体外试验中 ,血泵旋转速度 80 0 0 rpm时输出为 6 .8L / m in、 12 0 mm Hg。 2在 12 0小时的连续运转过程中 ,血泵的表面温度变化较小 ;密封性能也较好。 3 2 4小时的在体试验中 ,血浆中游离血红蛋白含量逐渐增大 ,纤维蛋白原未发生明显变化 ;除血泵的进出接口处和动物肾脏发现微小血栓外 ,脑部和其它腹部脏器未发现血栓。

两级轴流血泵CFD性能仿真

为了降低血泵转速,提高其溶血性能,将血泵设计为两级轴流式结构,其中前级叶轮采用一元流动理论设计为螺旋轴流结构,后级叶轮采用流线法设计为传统轴流结构。利用计算流体力学(CFD)的方法,对血泵的扬程、流量及其内部血液的流场、应力等分布情况进行了仿真分析。结果表明:血泵最大应力主要出现在其入口和出口处,且后级叶轮在前级叶轮的影响下,其入口处的最大应力明显减小。在相同条件下,两级血泵与普通血泵相比,其最大应力可明显降低。

植入式微型轴流血泵的动物流体力学实验研究

目的在前期通过模拟循环实验台对自行研发设计的微型轴流血泵进行体外流体力学特性测试的基础上,进一步研究活体动物急性实验血流动力学参数,探讨植入方法和植入过程中的注意事项。方法选取健康绵羊4只,左侧开胸植入血泵,形成左心室→血泵→降主动脉的循环通路,置入压力和流量监测管道,血泵连续运行6 h,进行血泵流体力学测试。结果血泵直接植入左心室,无需体外循环,连续运行6 h期间,工作性能稳定。平均动脉压(70±15)mmHg,调整血泵转速8 000 r/min^13 000 r/min,其对应流量达到0.45 L/min^5.00 L/min。结论该轴流血泵易植入,活体动物急性实验表明作为短期辅助其基本流体力学性能良好,能够满足临床心力衰竭患者辅助循环需求。