【摘要】：心力衰竭是導(dǎo)致高發(fā)病率和死亡率的病因之一,目前心臟移植手術(shù)仍是治療末期心衰患者最有效的手段之一,然而從全球范圍來看,心臟供體嚴(yán)重不足。心室輔助裝置可以部分或完全代替自然心臟的泵血功能,延長患者壽命,提高術(shù)后生活質(zhì)量,因此其可作為末期心衰患者進(jìn)行心臟移植前的過渡治療手段,也可永久植入體內(nèi)。為了提高心室輔助裝置的使用壽命,當(dāng)前心室輔助裝置主要采用無接觸式軸承,分為磁懸浮和液力懸浮兩種。磁懸浮血泵需消耗額外的能量對轉(zhuǎn)子進(jìn)行主動(dòng)控制,但具有較大的懸浮間隙,可減少對紅細(xì)胞的剪切損傷。液力懸浮血泵基于流體潤滑原理,利用較小的間隙產(chǎn)生的液力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的被動(dòng)懸浮,但會(huì)增加紅細(xì)胞的剪切損傷,同時(shí)對軸承的加工和安裝精度提出了極高的要求,增加了血泵的加工制造成本�；诖艖腋≥S承與液力懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn),本文設(shè)計(jì)出能在較大間隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)懸浮的血泵,不僅省去復(fù)雜的主動(dòng)控制單元以提高裝置的可靠性,而且可同時(shí)降低血泵的溶血水平和血泵的加工制造成本。針對旋轉(zhuǎn)組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及血泵的性能開展研究。研究內(nèi)容及結(jié)論如下:1、大承載面積的圓錐動(dòng)壓軸承設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究。針對旋轉(zhuǎn)組件的轉(zhuǎn)子,設(shè)計(jì)大承載面積的圓錐動(dòng)壓軸承,基于二維設(shè)計(jì)模型,根據(jù)理論計(jì)算初步確定圓錐斜動(dòng)壓軸承與圓錐階梯動(dòng)壓軸承的參數(shù)。以圓錐動(dòng)壓軸承的徑向承載力為優(yōu)化目標(biāo),在選定的偏心率情況下,利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對軸承參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),兩者比較后選擇圓錐階梯動(dòng)壓軸承作為設(shè)計(jì)方案。2、具有噴射流道的葉輪設(shè)計(jì)與原理驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)組件葉輪的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)具有六個(gè)噴射流道的新型葉輪,分析流體在噴射流道內(nèi)和出流后的基本運(yùn)動(dòng),理論上初步驗(yàn)證噴射流道設(shè)計(jì)的可行性。采用Fluent軟件對血泵進(jìn)行數(shù)值模擬,觀察噴射流道出流流體對噴射出流口局部壓強(qiáng)的影響,評估噴射作用的有效性。此外,針對設(shè)計(jì)的具有噴射流道的葉輪搭建了力學(xué)測試平臺,得到噴射葉輪在不同轉(zhuǎn)速與間隙下產(chǎn)生的懸浮力,并將旋轉(zhuǎn)組件置于搭建的倒置血泵實(shí)驗(yàn)裝置中,進(jìn)一步驗(yàn)證噴射作用。3、針對設(shè)計(jì)的血泵(稱為單噴射血泵)進(jìn)行性能評估與優(yōu)化。以具有圓錐動(dòng)壓軸承的轉(zhuǎn)子與具有噴射流道的葉輪組成的旋轉(zhuǎn)組件為研究對象,搭建了測量旋轉(zhuǎn)組件軸向和徑向運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置,定量地研究旋轉(zhuǎn)組件在血泵殼體空腔中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并測試了血泵的水力性能。其次,通過數(shù)值計(jì)算和體外溶血實(shí)驗(yàn)評估血泵的溶血性能,同時(shí)評估血泵的溫升,進(jìn)而通過體外循環(huán)實(shí)驗(yàn)評估血泵的抗血栓性能。最后,通過對葉輪的空腔噴射流道的形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改善血泵的溶血性能。4、全噴射血泵的設(shè)計(jì)、性能評估與優(yōu)化。鑒于圓錐階梯動(dòng)壓軸承的加工難度,為進(jìn)一步降低旋轉(zhuǎn)組件的加工成本,設(shè)計(jì)了具有十二個(gè)噴射流道的旋轉(zhuǎn)組件(組成的血泵稱為全噴射血泵),利用噴射流道的作用產(chǎn)生軸向和徑向懸浮力。以全噴射血泵為研究對象,利用前述設(shè)計(jì)的測量旋轉(zhuǎn)組件運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置,評估了全噴射血泵的旋轉(zhuǎn)組件在殼體空腔中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,驗(yàn)證噴射流道作用產(chǎn)生的懸浮力能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)組件的懸浮,同時(shí)測試了血泵的水力性能�；谠O(shè)計(jì)的全噴射血泵,通過數(shù)值計(jì)算和體外溶血實(shí)驗(yàn)評估血泵的溶血性能,同時(shí)評估血泵的溫升,進(jìn)而通過體外循環(huán)實(shí)驗(yàn)評估血泵的抗血栓性能。最后,通過對空腔噴射流道的出流角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改善血泵的溶血性能。綜上所述,本文針對較大軸承間隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)懸浮的設(shè)計(jì)問題,設(shè)計(jì)了大承載面積的圓錐動(dòng)壓軸承和具有噴射流道的葉輪,分別提出了單噴射血泵和全噴射血泵兩種,通過定量的測量旋轉(zhuǎn)組件在殼體空腔中的運(yùn)動(dòng),結(jié)果表明兩者均能在較大的間隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)懸浮,但單噴射血泵旋轉(zhuǎn)組件的穩(wěn)定性優(yōu)于雙噴射血泵。同時(shí)兩者優(yōu)化設(shè)計(jì)后的血泵的溶血指標(biāo)都能達(dá)到長期植入人體的要求。設(shè)計(jì)的全噴射血泵相較于單噴射血泵,制造加工成本更低但是消耗的能量要高于單噴射血泵。
【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】：TH789
【圖文】：

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文，血流經(jīng)過血泵作用后流入肺動(dòng)脈，從而完全或部分替代右心室功能。RVAD 于左心室輔助裝置手術(shù)或其它心臟手術(shù)術(shù)后的短期支持。BiVAD 是指血泵與室分別并聯(lián)，血泵的入口分別與左右心室相連，出口與主動(dòng)脈或者肺動(dòng)脈相連晚期心衰病人采用植入式 LVAD 大多可達(dá)到心臟移植前過渡期輔助或恢復(fù)期目的。

1.2 心室輔助裝置的研究現(xiàn)狀從廣義血泵的角度出發(fā)，人工心臟研究可追溯至體外循環(huán)泵。1952年，外科醫(yī)生Dodrill博士和通用汽車的工程師開發(fā)的Dodrill-GMR機(jī)(如圖1-4(a)))繞過患有呼吸急促患者的左心室50分鐘進(jìn)行二尖瓣的修復(fù)工作，Dodrill-GMR機(jī)被認(rèn)為是在心臟手術(shù)中第一個(gè)成功應(yīng)用并執(zhí)行的機(jī)械式人工心臟[18]。1953年，Gibbon利用人工心肺機(jī)(如圖1-4(b))在人體上進(jìn)行心臟手術(shù)，對患者進(jìn)行心房中隔缺損修復(fù)[19]。1957年，Kolff與Akutsu在克利夫蘭診所將水壓式聚氯乙烯人工心臟(如圖1-4(c))植入小狗體內(nèi)，并存活了90分鐘[20]�；谶@些初步研究，全球眾多研究小組的科學(xué)家對人工心臟進(jìn)行更深入的研究與開發(fā)。1964年，美國國立衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health, NIH)啟動(dòng)人工心臟項(xiàng)目

圖 1-7 接觸式軸承連續(xù)流式心室輔助裝置Fig. 1-7 Continuous-flow ventricular assist devices with contact bearing1.2.2.2 無接觸式軸承 CFVADs上述接觸式軸承 CFVADs 的壽命一般是 4-5 年，尚不能用來永久植入替代自然心臟功能，因而在 2000 年后，心室輔助裝置逐漸過渡到無接觸式軸承 CFVADs。下節(jié)主要介紹。1.3 無接觸式軸承 CFVADs從 2000 年后，無接觸式軸承 CFVADs 獲得了諸多成效，葉輪在血泵殼體空腔中與其他部件無任何機(jī)械接觸。按照葉輪的懸浮是否需要主動(dòng)控制，分為主動(dòng)控制型CFVADs 與完全被動(dòng)型的 CFVADs，一般而言，主動(dòng)控制型 CFVADs 基本都是采用磁懸浮式，而完全被動(dòng)型的 CFVADs 的主要是采用被動(dòng)磁懸浮和液力懸浮相結(jié)合的方式或者完全液力懸浮的方式。1.3.1 主動(dòng)控制型 CFVADs

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王楊淦;;慢性心力衰竭治療理念的轉(zhuǎn)變[J];醫(yī)學(xué)新知雜志;2015年06期

2 張文;張杰民;劉天文;劉曉程;;磁液懸浮離心血泵體外溶血的實(shí)驗(yàn)及耐久性實(shí)驗(yàn)[J];生物醫(yī)學(xué)工程研究;2014年01期

3 吳廣輝;藺嫦燕;陳琛;侯曉彤;李海洋;;植入型心室輔助裝置溶血及可植入性實(shí)驗(yàn)[J];首都醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào);2011年06期

4 張巖;胡盛壽;周建業(yè);孫寒松;唐躍;鄭哲;張浩;李國榮;朱曉東;;FW型軸流泵的體外溶血與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究[J];中國胸心血管外科臨床雜志;2009年02期

5 龍東平;譚建平;;血液潤滑性能評價(jià)指標(biāo)探討[J];潤滑與密封;2008年05期

6 張巖;孫寒松;周建業(yè);張浩;鄭哲;李國榮;朱曉東;桂幸民;胡盛壽;;一種新型軸流式心臟輔助血泵的研制和初步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[J];中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào);2008年01期

7 郭靜萱;李海燕;;慢性心力衰竭的診治進(jìn)展[J];中國實(shí)用內(nèi)科雜志;2007年01期

8 云忠;譚建平;楊劍平;;植入式微型螺旋血泵葉輪設(shè)計(jì)[J];機(jī)械工程與自動(dòng)化;2006年05期

9 徐先懂;譚建平;龍東平;;軸流式血泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究[J];中國醫(yī)學(xué)工程;2006年01期

10 錢坤喜,萬福凱,曾培,茹偉民,袁海宇;永磁磁浮葉輪在血泵內(nèi)的偏心距測量及分析[J];江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2004年01期

本文編號：2774088