【摘要】：心室輔助裝置是一種輔助心臟實現(xiàn)泵血功能的人工血泵,現(xiàn)已成為治療終末期心衰病人的重要手段之一。目前心室輔助裝置的研究熱點是轉(zhuǎn)子懸浮式心室輔助裝置,這一裝置利用液力動壓懸浮手段或磁力懸浮手段將轉(zhuǎn)子懸浮在血泵之中,完全免除機械軸承的使用,從而避免機械磨損和摩擦生熱的產(chǎn)生,提高心室輔助裝置的安全性、可靠性和儀器壽命。然而,轉(zhuǎn)子懸浮式心室輔助裝置目前仍面臨如下問題:利用液力動壓懸浮手段的血泵,受到潤滑理論的限制,其有效作用的軸承間隙須為100μm或更小,這一狹窄間隙內(nèi)會產(chǎn)生高剪切應力場,從而對血細胞造成損傷;利用磁力懸浮手段的血泵,由于磁力懸浮裝置體積較大,且需要復雜的主動控制系統(tǒng)和額外能耗,因此會影響血泵的安全性、可靠性和續(xù)航能力。以上因素均制約了心室輔助裝置的發(fā)展和應用。本研究以探索一種應用于心室輔助裝置的新型懸浮方式為研究目的,分別就理論分析、血泵設計、血泵性能評價和驗證、血泵結構優(yōu)化、雙入口設計應用于人工血泵等技術難題展開基礎研究,具體研究內(nèi)容及結論如下:(1)針對轉(zhuǎn)子磁力懸浮技術所面臨的能耗和復雜控制問題,以及液力動壓懸浮技術所面臨的高剪切應力場帶來血細胞損傷的問題,本文開展了基于噴射懸浮機制的離心血泵理論與設計研究。通過研究噴射懸浮原理,奠定本研究的理論基礎。根據(jù)人體供血需求,利用經(jīng)驗公式對離心式人工血泵進行尺寸計算和模型設計。然后基于噴射懸浮原理,在前述工作的基礎上,設計得到采用噴射懸浮方式的離心式人工血泵,具有被動控制、間隙較大等特點。(2)針對噴射懸浮血泵的性能優(yōu)化問題,本文利用計算流體力學方法,建立了綜合考量血泵轉(zhuǎn)子懸浮性能和血液相容性的評價體系,通過定性和定量的方法展開血泵性能研究。首先對噴射血泵流場進行求解,并根據(jù)噴射血泵的水力性能確定其標準工況。在標準工況下,計算得到轉(zhuǎn)子所受懸浮力,從而探討血泵懸浮性能。同時,加工得到噴射血泵實物模型,展開水力性能實驗,并測量轉(zhuǎn)子和泵殼之間的間隙,驗證流場仿真的準確性和噴射懸浮方式的有效性。以剪切應力對血細胞造成損傷的理論為基礎,首先以不同剪切應力閥值對應的流場體積為研究對象,對噴射血泵的血液相容性進行定性研究,然后結合冪定律和拉格朗日算法,沿通過血泵流場的流線對血細胞所受損傷進行積分,得到血泵的溶血指數(shù),從而定量化研究血泵的溶血性能,探討噴射流的存在對血泵血液相容性的影響。以葉片出流角、噴射流道出流角和葉片厚度作為幾何參數(shù)變量,通過計算仿真手段,研究以上幾何參數(shù)對噴射血泵懸浮性能和血液相容性的影響并探索優(yōu)化規(guī)律。以研究結果為基礎,建立優(yōu)化后的噴射懸浮血泵模型,運用計算流體力學方法,評價其懸浮性能和血液相容性,并與初始血泵的相關性能進行對比,驗證優(yōu)化的有效性。計算結果的準確性得到了實驗驗證。(3)針對單入口血泵所面臨的軸向推力問題,將雙入口設計應用于噴射懸浮血泵設計中,并探討其可行性和優(yōu)缺點,為雙入口血泵的設計提供了理論基礎和指導。建立雙入口噴射懸浮血泵模型,運用計算仿真手段,對血泵流場進行計算,并在相同工況下,與前述單入口噴射懸浮血泵模型各項性能進行比較。分析可知,雙入口血泵由于具有軸向?qū)ΨQ的結構,因此轉(zhuǎn)子所受懸浮力沿軸向?qū)ΨQ,避免了單入口血泵所面臨的轉(zhuǎn)子軸向推力問題。在相同工況下,通過定性分析,可知雙入口血泵的各項血液相容性均優(yōu)于單入口血泵,通過定量分析,得到雙入口血泵的溶血指數(shù),并與單入口血泵相比較,證實了雙入口血泵具有更好的溶血性能。綜上所述,本研究針對目前心室輔助裝置采用的轉(zhuǎn)子懸浮技術所面臨的技術難題,以探索一種應用于心室輔助裝置的新型懸浮方式為研究目的,通過理論分析與計算,設計了一種應用新型噴射懸浮機制的人工血泵,評價其懸浮性能和血液相容性,通過幾何參數(shù)優(yōu)化設計提升血泵性能,并就雙入口設計應用于人工血泵展開研究,為心室輔助裝置的發(fā)展提供了理論指導與技術支撐。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH77
【圖文】：

圖 1-5 HeartMate XVE 血泵植入人體示意圖[17].1-5 Implantation of the HeartMate XVE blood p系列血泵相似，Novacor（World Heart Col Inc.）也是植入體內(nèi)的體積位移泵，同被or 血泵已被植入超過 1800 名病人體內(nèi)，Novacor 已被 FDA 批準用于等待心臟移臨床使用[21]。而 Arrow LionHeart 血泵跨utaneous Energy Transfer Systems, TETS），感染的風險（圖 1-6）。然而，代價是血中的工作氣體會逐漸通過薄膜擴散，需要第一代心室輔助裝置包括AbioMed BVS 等，它們多用于短期循環(huán)支持，可分別滿臟病患者治療等[24]。

(a) Novacor LVAS 血泵[21](b) LionHeart 血泵[9]圖 1-6 第一代心室輔助裝置Fig.1-6 First-generation VADs盡管第一代心室輔助裝置可以有效地提高心衰病人生存率，并且已經(jīng)成功應床治療，但仍存在種種缺陷限制其發(fā)展。第一代心室輔助裝置由于其結構設計有較大的體積和血液接觸表面，并且有包括人造瓣膜在內(nèi)的多個移動機械部件方面限制了它們的運用，只能用于體表面積足夠大的病人，而且無法應用于永，另一方面使得它們有較高的噪聲和運動部件機械疲勞風險，大多數(shù)裝置都會三年內(nèi)失效[25]。同時，第一代心室輔助裝置有高風險的感染、血栓生成和血幾率，這也使其臨床表現(xiàn)不甚理想[26]。REMATCH 試驗顯示，敗血癥和機械引起植入第一代心室輔助裝置的病人死亡的主要原因。出于對更高的安全性和的要求，人們開發(fā)出了利用連續(xù)流的第二代心室輔助裝置。2.1.2 第二代心室輔助裝置盡管起初受到醫(yī)學界懷疑，現(xiàn)在連續(xù)流血泵已經(jīng)被廣泛應用于機械循環(huán)輔助。一直以來，學術界對長期無脈動流帶來的生理影響一直很關注，研究證明缺

【參考文獻】

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本文編號：2720002