心脏是人类身体中最重要的一个器官,一旦停止跳动将意味着生命的终结,心力衰竭严重威胁人类生命。集成机,电,液及生物技术于一体的人工心脏设备是挽救生命,提高生活质量的重要手段。随着人工心脏研究开发和临床应用的不断深入,人工心脏在结构仿生设计,装置内流场优化,减小高剪应力区域及提高连续流左心辅助装置搏动性等方面面临新的挑战。减小人工心脏对血液的破坏和为人体血液循环提供仿生搏动血流,是人工心脏研究与开发的关键技术。具体来说,设计人工心脏的结构使得内部流场更接近自然心脏内血液流动、缩小人工心脏内高剪应力区域以减少血液破坏、增加轴流式左心辅助装置的搏动性以模仿自然心脏获得更好终端器官灌注等是当前研究的热点问题。针对上述问题,论文开展以下三方面研究。1.寻找能够产生类似于自然心脏的心室内流场状态的左心辅助装置结构,将构想的多种几何结构进行数值仿真,找出理想的结构设计并对仿真结果进行PIV实验进行验证,同时与自然心脏内流场进行比对。2.通过数值模拟计算出离心式左心辅助装置内高剪应力区域,并用表面响应优化算法对离心式左心辅助装置旋转域外形轮廓进行优化,以缩小剪应力区域,减少剪应力对血细胞产生的破坏作用。3.建立循环系统集总参数模型与人工心脏的耦合模型,验证模型的有效性以及控制平均动脉压,并应对各种生理变化。使循环系统内产生压力搏动,并使用粒子群优化算法寻找最大盈余搏动能量。论文通过对以上三个问题的深入研究得出如下三个主要结论:1.通过对三种结构的左心辅助装置数值模拟结果对比发现,当左心辅助装置具有类似自然左心室心血管的仿生结构时,能最好的模拟出自然左心室在完整搏动周期内形成漩涡流的流动状态。速度粒子成像实验（PIV）验证了数值模拟的计算结果,同时与自然左心室内的流场进行对比验证两者流动模式一致。2.建立离心式左心室辅助装置几何模型,并用Fluent对模型进行数值计算,通过表面响应算法对离心式左心室辅助装置旋转域轮廓进行优化,优化后旋转域内流场的高剪应力区域体积缩小了20.7%。3.在MATLAB中建立了循环系统集总参数模型,通过模型仿真与自然生理参数对比验证了模型的有效性。将左心辅助装置耦合到体循环模型中,使用模糊控制器控制左心辅助装置使平均动脉压维持到正常生理水平并且自动适应多种生理状况。通过左心辅助装置的转速波动实现了循环系统内的压力搏动,并通过粒子群优化算法采用调节调速矩形波的相位和占空比的方式寻找最大盈余搏动能量（SHE）。论文的工作具有三方面创新:1.论文首次提出了通过结构仿生的方式来设计搏动式左心辅助装置,结构仿生的同时进一步实现了搏动式左心辅助装置内的流场仿生,产生了接近自然左心室内流动状态的连续漩涡流动,解决了之前搏动式左心辅助装置内漩涡流被打断或者耗散的问题。2.首次将表面响应算法结合到离心式左心辅助装置的旋转域轮廓设计中,大幅缩减了高剪应力区域,保护了血细胞,有利于长期型左心辅助装置的研发。3.首次使用粒子群算法通过调节调速矩形波的相位和占空比寻找最大盈余搏动能量,理论上可以获得最大搏动能量范围内的任意搏动能量,有利于今后心肌恢复策略的研究。