新型雙心室心臟泵的設(shè)計和數(shù)值計算分析.pdf

1、本課題系與澳大利亞昆士蘭科技大學的合作項目內(nèi)容，是在江蘇省高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助下開展的研究工作。
　　 從過去的50年以來，由于心臟移植供體的短缺引起了人工心臟輔助的快速發(fā)展?？茖W家、工程師和臨床醫(yī)學家們試圖用一個人工機械裝置來取代自然心臟的功能。盡管目前許多人工搏動式裝置已經(jīng)得到了快速發(fā)展并在臨床應(yīng)用中得到了一些運用，但是它們?nèi)匀粺o法達到與心臟移植相同的效果。而在發(fā)展合適的自然心臟替代裝置過程中，目前的主要研究方向是在不整

2、個替代自然心臟的狀況下，用在一旁工作的人工機械裝置來輔助心臟的泵血功能。雖然許多同類型的裝置已經(jīng)能夠成功輔助衰竭的心臟左心室，可是據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)其中很大一部分患者需要再移植額外的人工裝置來輔助逐漸衰竭的心臟右心室。如果采用兩個分開的裝置進行人工心臟機械輔助，這會增加心臟手術(shù)的時間，以及增加患者的手術(shù)風險，而且由于目前人工輔助裝置的尺寸限制，使得該項技術(shù)很難應(yīng)用在身材較小的患者身上。
　　 本文的主要研究內(nèi)容是設(shè)計和開發(fā)一種新型的

3、雙心室離心式心臟泵，通過對心臟泵內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬分析，初步揭示在不同葉輪條件下的心臟泵內(nèi)部血液流動特性，以及泵的整體結(jié)構(gòu)性能，從而初步選擇一種性能最優(yōu)的葉輪形狀作為離心式心臟泵的葉輪結(jié)構(gòu)，為進一步研究和試驗奠定基礎(chǔ)。本文的主要工作和研究成果如下:
　　 (1)總結(jié)人工心臟泵在國內(nèi)外的研究進展，包括全人工心臟和心室輔助裝置的發(fā)展和應(yīng)用等，并重點介紹了在人工心臟發(fā)展過程中遇到的溶血和血栓等主要問題，及其產(chǎn)生的原因和所造成的影響。

4、
　　 (2)通過借鑒普通離心泵的水力設(shè)計思慮和研究方法，結(jié)合心臟泵的特定要求，對離心式心臟泵的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，對主要過流部件進行尺寸計算，包括進口管、葉輪、泵腔以及蝸殼。并且選用五種不同形式的葉輪，在Pro/E軟件中對所有部件進行建模。
　　 (3)采用Fluent軟件對心臟泵進行數(shù)值模擬，對不同轉(zhuǎn)速、不同出口后負荷、不同葉輪形狀和不同葉片數(shù)的多個計算結(jié)果進行分析比較，得到轉(zhuǎn)速和葉輪形狀與心臟泵輸出壓力之間的關(guān)系。結(jié)

5、果顯示在給定泵輸出流量的情況下，影響其輸出壓力的各因素中，葉輪轉(zhuǎn)速對其影響最大，葉片的數(shù)目和形狀對其輸出特性也有一定的影響，而出口后負荷變化的影響可以忽略不計。因此基于葉輪形狀和轉(zhuǎn)速對心臟泵輸出性能的影響，從達到額定輸出壓力而葉輪轉(zhuǎn)速最小的角度出發(fā)，六圓柱葉輪為離心式心臟泵的最優(yōu)選擇。并且根據(jù)左泵的實際輸出壓力要求，得到左泵的實際葉輪轉(zhuǎn)速大小;及通過泵的相似定律，得出右泵達到壓力輸出條件下的葉輪轉(zhuǎn)速。
　　 (4)對達到輸出壓力

6、要求的心臟泵進行了定常數(shù)值計算和內(nèi)部流場分析，主要包括內(nèi)部流場速度分布、湍流動能分布和切應(yīng)力分布。結(jié)果顯示本文研究的離心式心臟泵內(nèi)部沒有出現(xiàn)明顯的流動死水區(qū)，滿足了心臟泵的抗血栓要求。同時，通過研究流場切應(yīng)力分布發(fā)現(xiàn)，泵的局部最大切應(yīng)力在100Pa以下，滿足了抗溶血性能的要求。
　　 (5)以定常計算結(jié)果為初始值，對心臟泵進行非定常數(shù)值計算和流場分析，主要包括進口的流量變化，葉輪的扭矩變化，轉(zhuǎn)子和定子的軸向力與徑向力變化。計算結(jié)

7、果顯示不同葉輪形狀的心臟泵進口流量變化幅度不大，進口流動狀況良好，流量穩(wěn)定。且由于在相同條件下六葉片葉輪心臟泵的葉輪扭矩數(shù)值比四葉片葉輪的小，因此應(yīng)該優(yōu)先選擇六葉片葉輪。通過軸向力與徑向力研究發(fā)現(xiàn)，由于該離心式心臟泵采用對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括對稱的葉輪設(shè)計，因而能夠很好地平衡泵整體的軸向力，提高了泵的軸向觸碰特性。因此新型的雙心室心臟泵能夠同時輔助左心室和右心室的泵血功能，且內(nèi)部流場特性良好，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計有可能成為將來全人工心臟模型的雛形