左心室辅助装置能够显著改善或部分替代心脏的功能,现已作为治疗终末期充血性心力衰竭的重要手段。在目前的临床实践中,大多数心室辅助装置采用恒转速的运行模式,然而这种运行方式仅能满足患者基本的血流灌注量,不能适应血液循环系统动态的生理变化,将心衰环境下血液的流量和压力恢复到理想的生理状态。且长时间的恒转速运行,会使得患者主动脉的脉动性降低,诱发多种并发症。为此本文提出了将心率作为反馈变量的控制策略,研发了一种针对旋转式血泵的变转速生理控制系统,通过仿真模拟和体外实验的方式对控制系统的可行性进行验证,具体研究内容如下:本文利用血液循环系统与电路的相似性,在Matlab环境中建立0维集总参数电路网络模型,对左心血液循环系统进行仿真。通过心率与每搏输出量存在的非线性关系,建立了健康心脏不同心率下的主动脉流量模型,并将此作为控制的目标流量。同步搭建了叶轮式血泵与心衰循环系统相耦合的仿真模型,实时计算当前心率下目标流量与耦合系统输出流量的误差,再通过PI控制算法,求解当前泵转速与上一时刻的转速差值,进而得到不同时刻下的泵转速。然后对变转速生理模式下左心循环系统的相关血流动力学参数进行仿真,分析血泵对心衰心脏的辅助效果。仿真结果表明在心率从60bpm增加到120bpm时,心输出量从4.6L/min增加到7.2L/min,满足理想灌注要求。当心率为60bpm、75bpm、100bpm时,平均动脉压分别为88.2mm Hg、102.7mm Hg、和108.9mm Hg,主动脉压呈上升趋势,具有良好的脉动性能。同时将变转速生理辅助的仿真数据与恒转速运行模式、同步脉动调节模式、泵压差变转速模式进行对比,结果表明本文提出的变转速生理控制系统进行辅助时主动脉的脉动性最佳,并且随着心率的升高,心输出量提升显著。且该控制策略在不同的心率状态下射血分数保持最高,对不同的生理状态的适应性更强。这说明相较于其他的控制模式,基于心率反馈的变转速生理控制策略对心衰心脏有着更佳的辅助效果。最后,根据变转速生理辅助控制方案的仿真结果,基于STM32设计开发了旋转式血泵变转速生理控制系统,并搭建了搏动流左心循环模拟实验台。体外循环模拟实验研究表明,变转速生理控制系统能够根据心率的变化调节血泵的输出,在心率为60bpm、75bpm、90bpm时,心输出量分别达到了4.92L/min、5.37L/min和5.62L/min,与真实心率下的误差分别为6.9%、4.1%和3.1%,其流量灌注水平优于传统的控制模式,且未发生抽吸和反流现象。对于主动脉压力方面,心衰心脏经变转速生理辅助后,主动脉的压力较之前有了较大的提升,且提升后的主动脉的收缩压和舒张压均处于正常的生理范围内,在心率为60bpm、75bpm、90bpm时,主动脉的平均动脉压为82.4mm Hg、98.9mm Hg和107.9mm Hg,与仿真数据的误差分别为6.5%、3.7%和2.1%。主动脉脉压差分别为36.8mm Hg、31mm Hg和23.6mm Hg,可见心衰血液循环系统的脉动环境得到了极大的改善。