人工心脏-磁悬浮离心血泵

背景

心力衰竭的发病率和死亡率很高，已经成为了全世界范围内亟需解决的公共健康问题。磁悬浮离心血泵作为第三代心室辅助装置，采用了磁悬浮或液力悬浮技术使叶轮悬浮于泵腔内，省去了接触式轴承结构，相比于第二代、第一代心室辅助装置，体积更小，质量更轻，并且解决了由接触式轴承所引起的机械磨损，与血液具有更好的相容性^[1-6]。

基于计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）、生物流体力学和旋转机械设计原理，对磁悬浮离心血泵进行了设计、实验和优化。通过仿真计算、PIV实验拍摄、体外溶血实验、动物实验和临床实验，开发出性能较高、对血液破坏程度较低的磁悬浮离心血泵。

图1 磁悬浮离心血泵^[3]

方法和模型

我司基于计算流体力学、生物流体力学和旋转机械设计原理，采用三维流面法对磁悬浮离心血泵的叶轮进行三维设计，采用速度系数法对磁悬浮离心泵的蜗壳进行设计，在流体仿真软件中对其流量、压差、溶血和凝血性能进行模拟计算，分析其内部流动特性和溶血、凝血性能，并基于计算结果进行优化设计改型。

同时，通过性能实验、PIV流场实验拍摄、体外溶血实验、动物实验和临床实验，对磁悬浮离心泵进行性能验证，更有效的实现心室辅助功能。磁悬浮离心泵的特点为体积小、重量轻、压头高、且具有良好的血液相容性，不易出现血栓和溶血等并发症。具体模型如图2所示：

图2 磁悬浮离心血泵三维模型

案例分析

方案一：

叶轮为等长四叶片结构，叶片形状为半弧形叶片，具有上盖，叶轮外径为40mm。

图3叶轮设计案例一^[3]

方案二：

叶轮为等长八叶片结构，叶片形状为圆柱形叶片，叶轮外径为40mm。

图4叶轮设计案例二

方案三：

叶轮为不等长八叶片结构，采用长短叶片交替分布，叶片形状为圆柱形叶片，具有上盖，叶轮外径为40mm。

图5叶轮设计案例三

表2 不同设计案例计算结果对比

通过流体仿真计算结果，如表2所示，所以叶轮设计采用方案三。图6为磁悬浮离心血泵流量与压差的关系，设计流量为5L/min，设计压差为200mmHg，转速为3000r/min。从图中可以看出，流量在5L/min以内，压差在200mmHg左右，波动较为稳定，当流量大于5L/min时，压差开始逐渐下降，但可以通过提高转速来增大压差。

图6 性能曲线

图7 磁悬浮离心血泵计算结果

图7 (a)和(b)分别为磁悬浮离心泵中截面的压力和速度分布，可以看到设计后的离心泵内压力场和速度场分布较为均匀。图7 (c)为叶轮的壁面剪切力(wall shear stress, WSS)分布，叶轮叶片出口和上下盖板处的剪切力较大。图7 (d)为磁悬浮离心泵中截面溶血指数(hemolysis index, HI)分布，可以看出叶片压力面的溶血指数较大。

图8 PIV流场拍摄实验结果

图8 (a)和(b)分别流量为3L/min和6L/min的叶轮PIV流场拍摄实验结果，从图中可以看到叶轮内的流体速度分布情况，在叶轮叶片出口附近的流体速度较高，从而对磁悬浮离心泵的计算结果具有一定的验证作用。

专利：

1. 叶轮及磁悬浮离心泵

2. 磁悬浮离心泵

参考文献

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[2] Krishnamani R , Denofrio D , Konstam M A . Emerging ventricular assist devices for long-term cardiac support[J]. Nature Reviews Cardiology, 2010, 7(2):71-76.

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[4] 王芳群. 应用CFD技术探明叶轮设计对人工心脏血泵内流场及切应力分布的影响[D]. 江苏大学, 2003.

[5] Nosé, Y, Yoshikawa M , Murabayashi S , et al. Development of Rotary Blood Pump Technology: Past, Present, and Future[J]. Artificial Organs, 2015, 24(6):412-420.

[6] Sherif H M F . Next generation long-term mechanical circulatory support systems: are pulsatile pumps extinct Challenges, goals, and opportunities[J]. Critical Reviews in Biomedical Engineering, 2012, 40(5):441-56.