Left Ventricle Failure and Blood Flow Estimation for Centrifugal Blood Pumps

This paper shows the blood flow control （FwC） performance to adjust rotational speed of an ICBP （implantable centrifugal blood pump） in order to provide an adequate flow to left ventricle in different patient conditions. ICBP is a totally implantable LVAD （left ventricular assist device） with ceramic bearings developed for long term circulatory assistance. FwC uses PI （proportional-integral） control to adjust rotational speed in order to provide blood flow. FwC does not use sensor for feedback, as there is an estimation system to provide blood flow measurement. Control strategy has being studied in a HCS （hybrid cardiovascular simulator） as a tool that allows the physical connection of ICBP during evaluation. In addition, HCS allows changes of some cardiovascular parameters in order to simulate specific heart disease： ejection fraction （10-25%） and heart rate （50-110 bpm）. FwC was able to adjust blood flow with steady error less than 2%. Results demonstrated that FwC is adequate to LVAD control irL different left ventricle failure conditions.

一种新型可植入式磁悬浮离心血泵的温度场分析

研究一种新型可植入式磁悬浮离心血泵的温度场情况。采用计算机辅助设计工具设计一种磁悬浮离心血泵,对血泵模型进行简化处理后导入到有限元分析软件中进行温度场分析。结果表明:在标准负荷下电机约在开始运转后250 s达到热平衡。血泵温升最高处为电机绕组,最高温度38.4℃,其次为铁心部分温度为38.3℃。血泵整体温升均不超过2℃。在设定的最大运转负荷状态下电机也在250 s达到热平衡。温升最高处仍为电机绕组,局部最高温度为39.963℃。与血液相接触的泵壳最高温度为39.3℃。血泵在标准负荷下温升符合要求。在最大负荷状态下电机绕组与铁芯温升超过要求,但可以通过减少电机产热,改良为上下双电机及增加上泵壳下血流量来减少局部过热问题。

双心室心脏泵内部流动非定常数值模拟

为了研究某新型离心式双心室人工心脏泵内部血液流动特性,采用CFD技术对泵设计工况下的内部流场进行数值模拟分析,获得了该心脏泵内部速度、湍流动能和切应力分布规律,同时得到了泵进口流量、作用在不同过流部件的轴向力和径向力变化情况,并对蜗壳处的压力脉动进行分析.研究结果表明:该型双心室心脏泵内部流场没有出现明显的流动死水区,满足心脏泵的抗血栓要求;泵内压力和切应力分布规律相似,整体分布均匀,满足抗溶血性能的要求;由于心脏泵的整体设计为对称结构,很好地平衡了左右叶轮的轴向力;较小的泵整体结构的径向力和转矩有利于心脏泵抵御瞬态的径向负荷;左右两泵蜗壳处的压力脉动呈现明显的正弦周期性变化规律,均含有6个波峰和6个波谷,且各监测点处压力脉动的主频为叶片通过频率,这是由于叶轮和蜗壳的动静干涉作用.

心室辅助器用离心式电液驱动器仿真分析

根据经验数据初步设计离心式驱动器叶轮,用CATIA软件建立其实体模型并利用FLUENT软件进行流场分析,得出流量-压力、流量-效率曲线图。分析表明:当叶轮转速为5 500 r/min、流量在12～30 L/min内时,流体压力可超过26.6 kPa(200 mmHg),工作效率可达80%以上。并利用流体质点速度分析影响效率的主要因素。

基于电机参数的离心式左心室辅助装置流量估算方法

目的针对苏州同心医疗器械有限公司研制的CH-VAD型血泵进行研究,利用血泵中可获得的电压、电流、转速、占空比以及流体的黏度作为输入,建立实时估算血泵流量的方法。方法将血泵系统拆解为电机和离心泵两个模块单独进行分析。首先根据电机的电压、电流、转速以及占空比计算得到电机的输出力矩,然后通过实验测试在不同转速和黏度下流量与力矩的关系,并根据实验数据建立拟合模型。结果1、2号血泵拟合优度分别达到0.9826和0.9829。利用拟合所得参数进行验证,在黏度变化时,1、2号血泵流量估算的均方根误差分别为0.260、0.274 L/min,且两台血泵的拟合参数和估算结果具有很好的一致性。该流量估算方法能够实时跟随实际流量波形,对平均流量的估算精度不受脉动条件的影响。结论提出的流量估算方法适用于CH-VAD血泵,能够在转速1600~3600 r/min、流量0.4~8 L/min、黏度1.2~5 mPa·s范围内准确估算血泵的流量,且在脉动条件下能够很好跟随流量波形。

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；前者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 ６ ０００～２０ ０００ｒ／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－动力性主动脉辫。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。

磁液双悬浮离心血泵左心辅助的动物实验

目的：检测左心辅助羊应用磁液双悬浮离心血泵和控制器的各项性能。方法在全麻、非体外循环、心脏跳动下，将血泵流出端人工血管吻合于降主动脉，左心尖植入血泵流入端，建立左心辅助实验模型，记录术前术后血液、生化和血泵的各项指标。共完成11只左心辅助羊的动物实验。结果11只左心辅助羊，心室颤动死亡3例，急性肺水肿死亡1例；左室血栓及左室碎肉至血泵停止工作5例；1例血泵左心辅助59 h，因血泵电流逐渐增高人为停泵，羊存活75 d，死于感染；1例术后应用华法林抗凝，血泵正常工作，辅助流量3.0～3.4 L/min，血液、生化及尿液各项指标基本正常，游离血红蛋白3.3～44.3 mg/L，可携带控制器和锂电池自由行走。因血泵流入管道向左室前壁移位损伤室壁，致心肌组织入泵，血泵停止转动，辅助羊健康存活120 d。分解血泵未见血栓。结论磁液双悬浮血泵和控制器性能良好，辅助满意，各项生理指标基本正常，初步达到了临床前应用水平。

对称式单支点离心泵心脏辅助装置特性

目的:分析对称式亚悬浮离心泵心脏辅助装置提高血泵的抗血栓性的可行性。方法:设计对称式亚悬浮离心泵。离心泵壳分为前端的离心泵筒和后端的叶片腔,叶轮由前端的转子柱和后端的叶片连接构成。叶片腔的后壁中心设置导流椎体,顶端设置支点球和支点球窝形成机械支点支撑叶轮尾端;叶轮转子柱前端设置径向磁悬浮环,与离心泵筒前端的径向悬浮共同形成径向永磁轴承。叶轮为直叶片且以中心对称辐射状排列,离心叶轮、离心泵壳、泵入口及泵出口均为左、右对称结构。文章中研制了两种样机,叶片直径分别为15和17mm,叶轮转子柱直径均为8.5mm,长56mm,离心泵筒外径20mm内径12mm。叶轮叶片采用5叶片式,宽度8mm。叶片腔内径25mm,长9mm。所有血液接触面均采用医用钛合金包被。泵总长度68mm,总重量87g。结果:径向永磁轴承稳定维持叶轮前端的径向悬浮和轴向位置,无论顺时针和逆时针旋转,离心泵均可产生相同的流体输出。在100mm Hg输出压力条件下离心泵可产生5L/min流量。直径17mm叶轮和15mm叶轮的转速分别为7000r/min和8500r/min。总输入功率分别约为8.3和8.1w,改变叶轮旋转方向可在大约2s内重新达到稳定输出,在此期间输出压力和流量显著下降。叶轮转换方向时可使离心泵功耗短暂增加至11W,随后回复至8W左右。结论:对称结构磁悬浮离心泵流体力学特性可满足左心辅助需要,流体力学特性在改变旋转方向条件下不变,转子-叶轮体交替旋转的驱动策略可行。

“万峰离心泵”悬浮控制策略研究

目的:“万峰离心泵”为一种新型磁悬浮离心泵心脏辅助装置,以有源磁悬浮作为转子的常态控制,流体动力悬浮作为储备应对极端力学不平衡状态。此悬浮控制策略可以避免血泵冗余结构,有利于减小体积,重量及能耗。利用模型研究“万峰离心泵”转子悬浮控制及稳定性。方法:建立“万峰离心泵”转子悬浮实验模型,转子直径35mm,厚度10mm。转子中心空设置径向被动磁悬浮轴承,转子两端面采用4极平面电机驱动,结构和设计参数均类似于轴向磁场电机。驱动定子及悬浮控制系统与原型样机一致。调节模型转子与模型定子间的悬浮距离,观察悬浮状态。结果:转子在旋转状态下可以实现全磁悬浮,悬浮距离的增加会导致转子悬浮稳定性的下降。在静止状态下转子与定子之间的悬浮间隙最大可达0.5mm。结论:“万峰离心泵”转子悬浮控制策略可行,但在大悬浮间隙条件下提高悬浮稳定性的控制方案尚待进一步改进。

“万峰离心泵”径向磁悬浮轴承的改进研究

目的:“万峰离心泵”采用5自由度磁悬浮转子-叶轮体驱动血液流动,磁悬浮轴承的控制和稳定性需要设计在合理的范围,以减小血泵体积和重量,改善解剖相容性。方法:研制“万峰离心泵”专用的悬浮转子力学测试台。在悬浮力学实验台上对“万峰离心泵”悬浮转子的悬浮状态和各方向受力特性进行定量测试。通过测定悬浮转子轴向位置与轴向受力,轴向位置与径向受力及轴向受力与径向受力的定量关系,建立各自由度受力特性的关系曲线。结果:悬浮转子的径向受力与转子的轴向位置相关。悬浮转子在轴向位置上有一个力学平衡点,在力学平衡点位置悬浮转子个方向受力为0,可以实现5自由度悬浮。但是,这种悬浮状态不稳定,在微小的外力下极易失衡。实现稳定的悬浮需要有电磁力对抗失衡力。失衡力的方向与大小转子的轴向位置相关,径向悬浮力与轴向失衡力呈正相关,减小径向悬浮力可以有效地减小各个位置的轴向失衡力。结论:磁悬浮转子在偏离轴向平衡位置后可以产生失衡力使悬浮失效。采用电磁力来对抗失衡力是保证稳定悬浮的必要措施。电磁力系统的体积重量必须设定在一个合理的范围,适当的减小转子的径向悬浮力可以降低电磁控制冗余设计的重要途经。