心室辅助装置溶血性能评价方法及叶轮优化设计研究

摘要

心室辅助装置(Ventricular Assist Device，VAD)能够为患者提供短期或长期的辅助循环支持，是终末期心力衰竭的有效治疗手段之一。目前的VAD多采用旋转式血泵，叶轮的高速旋转使其内部流场具有很强的非生理流动特性，容易对红细胞造成损伤，产生溶血。如何在满足水力性能要求的前提下，将流动引起的溶血破坏量控制在一定范围之内是VAD在设计阶段要解决的关键问题。目前，绝大部分关于VAD的内部流动特性分析都是在稳态条件下进行的，稳态工况下的溶血性能是VAD过流部件尺寸优化设计的主要参考指标。但是在临床使用中，VAD需要与病损心脏协同工作，其实际工况由血泵本身以及人体心血管系统的特性共同决定。在自然心脏搏动的影响下，血泵的实际流量具有一定的脉动特性。为了进一步提高VAD在临床使用中的安全性，随着研究的不断深入，溶血性能的研究也应该更加符合实际情况。本课题即围绕VAD与传统小型工业泵相比所具有的低溶血要求和脉动工况这两个特殊点展开研究，完善和拓展现有VAD的体外溶血性能评价方法，同时为VAD的叶轮优化设计提供理论指导。
　　本文首先从流动产生溶血的机理入手，研究溶血与剪切力、曝光时间之间的关系，针对VAD内部流场剪切力非均匀分布的特点，建立了能够反映剪切力加载历史、具有两个状态变量的溶血模型，针对血泵内部的三维复杂流动特性，建立了基于CFD的血泵溶血数值估算模型，并对上述模型的有效性进行了验证。在此基础上，对课题组前期开发的左心室辅助装置(LVAD)开展了稳态工况下的溶血性能研究，完成了低溶血血泵叶轮的优化设计。针对脉动工况，本文研究了VAD与人体心血管系统之间的相互作用以及心脏搏动对溶血性能的影响，在研究中揭示出了VAD在脉动工况下的溶血性能可能会发生恶化、基于稳态条件的内部流动特性分析可能会忽略由流动减速导致的流动分离以及湍流剪切力增大等不利因素、基于稳态工况和脉动工况溶血性能的叶轮参数优化结果不同等有价值的信息。此外，本文还研究了叶轮流道扩散度对VAD性能的影响，针对脉动工况导致溶血性能发生恶化的问题完成了叶轮的改进设计。
　　主要研究工作如下:
　　1.溶血模型研究。考虑到VAD内部流场剪切力非均匀分布，本文提出将溶血估算的过程看作是一个系统辨识问题，将溶血过程看作是一个线性系统，在现有适用于均匀剪切力分布条件的幂律方程的基础上，推导出表征血液本身抗溶血破坏能力的系统函数，建立了适用于非均匀流场的溶血模型。该模型具有两个状态变量，通过状态变量初始值能够反应血液初始状态不同对溶血破坏量的影响;利用文献中的实验数据对模型有效性进行了验证，结果表明该模型能够反应剪切力加载历史对溶血破坏量的影响;与现有基于幂律公式的Lagrange溶血模型的对比结果表明新模型的准确更高。
　　2.稳态工况下心室辅助装置溶血性能研究。在稳态条件下对商用血泵进行了CFD流动数值模拟，采用Lagrange法将数值计算得到的流动参数与新提出的溶血模型结合实现溶血值的预测;通过对商用血泵开展稳态条件下的水力特性实验和体外溶血测试，分别对CFD数值模型本身以及基于CFD的血泵溶血估算模型的有效性进行了验证。在此基础上，对课题组前期开发的LVAD开展了基于稳态条件的低溶血叶轮优化设计研究。结合正交实验设计与极差分析研究了叶片数、叶片出口角、叶片出口高度等几何参数对扬程、效率以及溶血性能的影响，最终得到优化模型。与初始设计对比结果表明，该优化模型在溶血指数、湍流剪切力等溶血性能相关指标方面有了明显改善。另外，优化模型的体外溶血测试结果表明其溶血性能能够满足要求。
　　3.心室辅助装置与血液循环系统相互作用研究。建立了血液循环系统的数学模型，并对正常生理状态下的血液动力学参数进行了仿真，验证了模型的有效性，为研究VAD与血液循环系统的相互作用建立了仿真平台。通过动态水力特性实验建立了血泵的动态数学模型，对VAD与血液循环系统进行联合仿真，研究心衰以及血泵辅助条件下的血流动力学参数变化，同时考察自然心脏影响下VAD的流量脉动情况。
　　4.脉动工况下心室辅助装置溶血性能研究。在稳态体外溶血实验台的基础上加入脉动模块，开展了脉动条件下的体外溶血测试，测试结果表明脉动工况导致溶血性能发生了明显的恶化;随后开展了脉动条件下心室辅助装置的CFD数值模拟研究，针对流量脉动对溶血指数以及内部流场中的流动分离、漩涡、湍流等因素的影响进行分析，指导后续叶轮改进。
　　5.叶轮流道扩散度对心室辅助装置性能影响研究。针对VAD在脉动工况下溶血性能发生恶化的情况，在不改变叶轮整体尺寸的前提下，提出了增大叶片出口厚度降低叶轮流道扩散度的方法以提高流场稳定性、抑制流动减速时血泵内部可能出现的流动分离。采用数值模拟的方法研究了叶轮流道扩散度对稳态及脉动工况下血泵外部水力特性、溶血指数、剪切力分布情况以及其他内部流动特性的影响，以此为基础确定了基于脉动工况溶血性能的叶轮优化设计参数。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 心室辅助装置概述

1．1．2 心室辅助装置的发展历史、现状及趋势

1．1．3 心室辅助装置的血液相容性问题

1．2 心室辅助装置溶血性能研究现状

1．2．1 血液概述

1．2．2 基于CFD数值模拟的溶血估算方法研究现状

1．2．3 心室辅助装置体外溶血实验研究现状

1．3 心室辅助装置叶轮设计方法研究现状

1．3．1 传统工业泵叶轮设计基础

1．3．2 心室辅助装置叶轮设计

1．4 课题主要研究内容及意义

1．4．1 课题研究内容

1．4．2 课题意义

1．5 本章小结

2 溶血估算模型研究

2．1 现有溶血估算模型

2．2 基于系统辨识的溶血估算新模型

2．3 模型验证与讨论

2．4 本章小结

3 稳态工况下心室辅助装置溶血性能研究

3．1 基于CFD数值模拟的血泵溶血估算方法研究

3．1．1 CFD模型建立

3．1．2 CFD计算及验证

3．1．3 溶血性能数值估算

3．1．4 溶血性能体外测试

3．2 液力悬浮式左心室辅助装置溶血性能数值模拟研究

3．2．1 初始设计数值模拟与水力特性实验研究

3．2．2 低溶血血泵叶轮优化设计

3．2．3 优化前后内部流动特性对比

3．3 液力悬浮式左心室辅助装置体外溶血实验研究

3．4 本章小结

4 脉动工况下心室辅助装置溶血性能研究

4．1 心血管系统建模与仿真

4．1．1 心血管系统生理学基础

4．1．2 心血管系统的数学模型

4．1．3 心血管系统仿真与验证

4．2 左心室辅助装置与心血管系统相互作用

4．2．1 左心室辅助装置数学模型

4．2．2 左心室辅助装置与心血管系统联合仿真

4．3 自然心脏影响下左心室辅助装置溶血性能实验研究

4．3．1 实验材料及方法

4．3．2 实验结果与讨论

4．4 自然心脏影响下左心室辅助装置溶血性能数值研究

4．4．1 数值模拟参数设置

4．4．2 Eulerian溶血模型

4．4．3 结果与讨论

4．5 本章小结

5 叶轮流道扩散度对心室辅助装置性能影响研究

5．1 叶轮流道扩散度对稳态工况下LVAD性能的影响

5．1．1 水力特性

5．1．2 溶血性能

5．2 叶轮流道扩散度对脉动工况下LVAD性能的影响

5．2．1 水力特性

5．2．2 溶血性能

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果及荣誉