介入式左心室辅助装置

背景：

心衰是一种较为严重的心血管疾病，在中国大约有450万患者，35~74岁成人心衰患者患病率为0.9%，住院病死率为4.1%，6个月的再住院率约50%，5年病死率高达60%^[1]。常见的方式包括药物治疗、介入治疗（PCI）、外科治疗（CABG），当人体心脏因病损而部分或完全丧失功能导致不能维持全身正常循环时，则需要通过人工材料制造的机械装置（人工心脏）以暂时或永久地部分或完全代替心脏功能、推动血液循环。

图1 左心室辅助装置工作示意图^[2]

因此，应用于短期支持的经皮植入心脏辅助装置应运而生，如图1所示。经皮植入心脏辅助装置旨在使用经皮植入的微创手术方式植入患者体内，代替患者部分心脏功能，达到减小心脏工作负担，并为急性心衰患者重新建立血液循环的目的。作用在于可以用微创的方式使急性心衰患者心脏充分休息并回复功能，还可以为高危的心脏手术，如心脏置换，LVAD植入等提供短期血液循环支持。

模型与方法

a、迭代方法

采用正问题设计迭代的方法，如图2，首先采用三维几何设计软件，设计出三维几何模型，并采用事先调研获得的主动脉直径制作出整体流体域模型；将该模型导入网格划分软件进行网格划分，随后导入到三维数值计算软件中进行流场模拟。根据数值模拟获得的流场进行后处理，分析出几何模型的不足之处，找到改进目标后重复上述步骤进行优化迭代，最后获得理想的左心室辅助装置三维模型。

b、多目标优化方法

采用正交分析和和简单分析相结合的方法，首先选择影响叶轮做功性能和溶血参数的几何要素，选择不同要素的值进行搭配设计叶轮，进行正交分析法计算，获得叶轮的大致几何参数，随后使用简单分析法对个别几何参数进行优化。

正交分析法在影响因素过多造成试验次数过多时，集成了把所有可能都遍历一遍的全面分析法和只改变一个参数的简单分析法两者的优点，能较好充分捕捉因素的影响重要程度，同时又能减少试验次数节约时间。

设计案例：

通过设计16个叶轮的几何模型，采用多目标优化方法得到了叶轮几何因素对左心室辅助装置性能的影响规律为：叶片数越少做功能力和做功效率越高，溶血性能交替变化；叶片包角越大做功能力与效率越低，溶血值先增大后减小；出口高度越高做功能力与效率越低，溶血值逐渐增大；出口气流角越小做功能力与效率越好，溶血性能交替变化；叶尖间隙越大做功能力与效率越低，溶血值降低，溶血性能变好。

经过一系列迭代之后优化，介入式左心室辅助装置在模拟环境中的溶血现象如图A所示，溶血现象主要集中在叶轮与外壳的间隙之间，由于高速旋转的叶轮刮削作用导致了这一区域溶血的增强。血液流体被叶轮带动，从出口四散而开的泵送至动脉模型腔中，并冲刷主动脉壁，形成螺旋涡对结构，随后螺旋流出，如图B、C所示。

专利：

    1.泵转子

参考文献：

1. 马丽媛,吴亚哲,陈伟伟.《中国心血管病报告2018》要点介绍[J].中华高血压杂志,2019,27(08):712-716

2. AbioMed: Impella 5.0 and LD instructions for use. Available at:http://www.oph.gr.jp/medical/support/team/vad.html