發(fā)布時(shí)間：2020-08-17 12:29

【摘要】：因心血管疾病導(dǎo)致的心力衰竭(簡(jiǎn)稱(chēng)心衰)已經(jīng)成為人類(lèi)死亡的主要原因之一,目前臨床上治療心衰最有效的方法是心臟移植,但由于缺乏供體,每年有大量的心衰患者在等待移植中死亡。血泵的出現(xiàn)為治療心衰提供了一種新的途徑。針對(duì)第二代血泵中使用的機(jī)械軸承摩擦大,第三代血泵中使用的磁懸浮軸承導(dǎo)致血泵體積大、發(fā)熱大的問(wèn)題,提出了一種血流動(dòng)壓和Pivot軸承(樞軸軸承)相疊加的支承方式。本論文的研究工作是提出了一種血流動(dòng)壓下Pivot支承的軸流式血泵,以其為研究對(duì)象,利用CFD(Computational Fluid Dynamics,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))對(duì)軸流式血泵的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)優(yōu)化后的血泵進(jìn)行數(shù)值仿真分析和溶血預(yù)測(cè),加工出血泵并搭建體外循環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行血泵水動(dòng)力特性測(cè)試。本論文得到的主要結(jié)果如下:(1)采用軸流式血泵的設(shè)計(jì)原理、圓柱層無(wú)關(guān)性假設(shè)、Standard k-ε湍流模型理論、圓弧法等理論優(yōu)化葉輪以及前后導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù),滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求前提下盡量減小泵體體積,設(shè)計(jì)出軸流式血泵的相關(guān)參數(shù)。(2)建立流道模型,采用計(jì)算流體分析法,分別對(duì)葉輪葉片數(shù)、葉輪葉片高度、葉輪葉片進(jìn)口安放角和出口安放角4項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析,結(jié)果證明優(yōu)化對(duì)提升軸流式血泵水動(dòng)力特性起到一定作用。(3)設(shè)計(jì)Pivot和動(dòng)壓結(jié)合的復(fù)合支承,采用計(jì)算流體分析法分析葉輪部分在血泵工作時(shí)所受到的徑向力,證明了本文設(shè)計(jì)的軸承因動(dòng)壓方式產(chǎn)生的支承力可以減小Pivot軸承徑向載荷,實(shí)現(xiàn)對(duì)軸流式血泵的良好支承。(4)利用Giersiepen等提出的溶血與切應(yīng)力、暴露時(shí)間之間的冪函數(shù)模型來(lái)建立血泵溶血預(yù)測(cè)模型,采用粒子追蹤法進(jìn)行溶血性能的預(yù)測(cè),結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的軸流式血泵理論溶血值較小,對(duì)血細(xì)胞產(chǎn)生的危害較小。(5)根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的血泵參數(shù)加工并完成整體裝配,搭建體外循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果與仿真分析基本一致,驗(yàn)證了數(shù)值仿真分析的可靠性與血泵設(shè)計(jì)的合理性。證明利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)能夠分析血泵流道,優(yōu)化血泵,縮短研發(fā)周期;所提出的血流動(dòng)壓下Pivot支承具有摩擦小,體積小的特點(diǎn),能較好的解決現(xiàn)有血泵的問(wèn)題。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TH789
【圖文】：

置相當(dāng)于心臟瓣膜功能的單向閥門(mén)；另一端接出口導(dǎo)管，也在閥門(mén)；當(dāng)用諸如電磁力等外力使腔室體積發(fā)生變化即可實(shí)現(xiàn)泵血式血泵應(yīng)用于臨床治療的主要有 Abiomed BVS5000（圖 1-1（AB5000（圖 1-1（b））、Thoratec PVAD （圖 1-1（c））和 IVAD（上裝置最大流量可達(dá)到 5L/min、血液輸出壓力可達(dá) 70~80mmH用于短期輔助。主要是因?yàn)檫@類(lèi)血泵具有很多缺點(diǎn)：體積較大在血泵的出入口必須設(shè)置單向閥門(mén)，導(dǎo)致血泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜；機(jī)械往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致血泵壽命短[19]。(a) Abiomed BVS5000 (b) Abiomed AB5000

第二代血泵根據(jù)葉輪的形狀可以分化為兩類(lèi)血泵：離心式血泵和軸流式血泵。離心式血泵主要代表有 Levitroix CentriMag（圖 1-2（a））。該血泵在轉(zhuǎn)速為1500-5500r/min 時(shí)，最大流量可達(dá)到 9L/min。軸流式血泵主要代表有 HeartMate II（圖 1-2（b））和 DeBakey（圖 1-2（c））。HeartMate II 直徑為 40mm，重約 375g，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該血泵在正常轉(zhuǎn)速（8000~9000r/min）下，其最大流量為 3~4L/min，血泵出口壓力達(dá)到 80~100mmHg[21]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方面，HeartMate II 成功移植到40 頭小牛身上以評(píng)估其水力動(dòng)力性能和生理相容性性能，其中最長(zhǎng)的存活時(shí)間為 225 天。DeBakey 是由 NASA 研究中心和 Baylor 醫(yī)學(xué)院共同研制而成，正常轉(zhuǎn)速區(qū)間（7500~12000r/min）內(nèi)，最大流量可達(dá) 10L/min。在 10W 的輸入功率下轉(zhuǎn)速可達(dá)到10000r/min，輸出壓力在100mmHg的情況下，流量可達(dá)到5~6L/min科研人員將DeBakey移植入小牛體內(nèi)來(lái)評(píng)估血泵性能，在手術(shù)之后的3個(gè)月內(nèi)，小牛的溶血指標(biāo)一直保持低于 0.002g/100L[22]。

第 2 章 植入式軸流血泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 軸流式血泵工作原理及總體結(jié)構(gòu)在血泵工作時(shí)，血液從血泵入口進(jìn)入血泵，先經(jīng)過(guò)前導(dǎo)輪，在前導(dǎo)輪的作用下，沿圓周方向的速度被消除，只剩下沿軸線(xiàn)方向的速度。然后進(jìn)入葉輪區(qū)域，因電機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)血液向后導(dǎo)輪方向流動(dòng)。在后導(dǎo)輪區(qū)域，因?yàn)槿~輪推動(dòng)血液時(shí)也產(chǎn)生了一定的圓周速度，因此后導(dǎo)輪設(shè)計(jì)成扭曲葉片形狀，使血液流經(jīng)后導(dǎo)輪時(shí)能減小圓周速度分量，降低血流速度，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，使血液能夠以足夠的流量和壓力進(jìn)入主動(dòng)脈。軸流式血泵的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2-1 所示。1 2 3 4 5 6 7

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 周玉姣;于坤;;體外循環(huán)紅細(xì)胞損傷的原因、表現(xiàn)及危害[J];中國(guó)體外循環(huán)雜志;2015年01期

2 吳華春;王志強(qiáng);龔高;胡業(yè)發(fā);;離心式磁懸浮血泵用混合磁懸浮支承設(shè)計(jì)與仿真[J];中國(guó)機(jī)械工程;2013年18期

3 張?zhí)煲?胡兆燕;;心臟輔助與替代裝置中的血泵[J];中國(guó)組織工程研究;2012年40期

4 高勇;加萬(wàn)里;甄彩虹;陳碧;白苗苗;李薇;;基于CFD的軸流血泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值分析[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2012年11期

5 沙毅;宋德玉;段福斌;喻彩麗;曹淼龍;;軸流泵變轉(zhuǎn)速性能試驗(yàn)及內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2012年06期

6 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

7 曹云;潘鋼;臧旺福;白景峰;;搏動(dòng)式血泵驅(qū)動(dòng)源的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算及精確實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制[J];中國(guó)醫(yī)療器械雜志;2011年02期

8 王玉璇;張杰民;劉曉程;;軸流血泵的研究進(jìn)展[J];中國(guó)胸心血管外科臨床雜志;2010年02期

9 韓元杰;楊明;;搏動(dòng)型血泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的探討[J];中國(guó)醫(yī)療器械雜志;2009年01期

10 邱志兵;陳鑫;萬(wàn)松;;心室輔助裝置的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展[J];心血管病學(xué)進(jìn)展;2008年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 王玉璇;植入式微型軸流血泵的研制和初步的實(shí)驗(yàn)研究[D];中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué);2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 范灝;具有周向分布楔形間隙結(jié)構(gòu)的液力懸浮血泵設(shè)計(jì)與研究[D];浙江大學(xué);2014年

2 王子彥;一種軸流式磁懸浮血泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及溶血預(yù)測(cè)[D];武漢理工大學(xué);2012年

3 周長(zhǎng)華;離心式磁懸浮人工心臟泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能仿真[D];武漢理工大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2795326