【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(yīng)力場,從而對血細(xì)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(fù)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(yīng)用。本研究以探索一種應(yīng)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(shè)計、血泵性能評價和驗證、血泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化、雙入口設(shè)計應(yīng)用于人工血泵等技術(shù)難題展開基礎(chǔ)研究,具體研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)針對轉(zhuǎn)子磁力懸浮技術(shù)所面臨的能耗和復(fù)雜控制問題,以及液力動壓懸浮技術(shù)所面臨的高剪切應(yīng)力場帶來血細(xì)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(shè)計研究。通過研究噴射懸浮原理,奠定本研究的理論基礎(chǔ)。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(shè)計。然后基于噴射懸浮原理,在前述工作的基礎(chǔ)上,設(shè)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)工況。在標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確性和噴射懸浮方式的有效性。以剪切應(yīng)力對血細(xì)胞造成損傷的理論為基礎(chǔ),首先以不同剪切應(yīng)力閥值對應(yīng)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(jié)合冪定律和拉格朗日算法,沿通過血泵流場的流線對血細(xì)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(jié)果為基礎(chǔ),建立優(yōu)化后的噴射懸浮血泵模型,運用計算流體力學(xué)方法,評價其懸浮性能和血液相容性,并與初始血泵的相關(guān)性能進行對比,驗證優(yōu)化的有效性。計算結(jié)果的準(zhǔn)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(shè)計應(yīng)用于噴射懸浮血泵設(shè)計中,并探討其可行性和優(yōu)缺點,為雙入口血泵的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。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(jié)構(gòu),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(shù)所面臨的技術(shù)難題,以探索一種應(yīng)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(shè)計了一種應(yīng)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(shè)計提升血泵性能,并就雙入口設(shè)計應(yīng)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(dǎo)與技術(shù)支撐。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(zhǔn)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(fēng)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(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)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(fēng)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(fēng)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(xué)界懷疑，現(xiàn)在連續(xù)流血泵已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機械循環(huán)輔助。一直以來，學(xué)術(shù)界對長期無脈動流帶來的生理影響一直很關(guān)注，研究證明缺

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前9條

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本文編號：2720002