心脏移植目前仍是治疗终末期心衰的金标准,但是所需心脏供体严重不足,因此用于部分或完全替代自然心室功能的各种血泵在过去五十多年中不断被开发出来。血泵在运行过程中产生的非生理性流动,如高剪切应力、很长的暴露时间、再循环和潴留,会导致对血液各种成分的破坏,包括对红细胞的破坏(即溶血)或对其机械特性的改变、对血小板和白细胞的激活、炎症介质浓度的增加、血栓栓塞和装置血栓等,这些破坏会导致各种并发症进而危及患者的生命。因此,通过优化血泵的内流场设计降低血泵的血液破坏性,进而降低相关并发症和提高患者生存率,成为血泵设计过程中需要考虑的最重要的问题之一。但是,目前对于血泵血液破坏性的研究只集中于溶血或血栓,且大部分都是对血泵的改进而非自动优化。而且,由于搏动血泵流场仿真的复杂性,利用CFD(computational fluid dynamics,计算流体力学)仿真进行的搏动血泵血液破坏性研究较少。血泵工作参数也会影响血泵的血液破坏性,所以也需要全面研究不同工作参数对血液破坏性的影响。本文针对搏动血泵血液破坏性研究待解决的问题,应用流固耦合实现搏动血泵的全流场仿真,并基于仿真结果预测出血泵的血液破坏性;对血泵血室的几何参数进行优化,以降低血泵的血液破坏性;研究不同的工作参数对搏动血泵血液破坏性的影响,找出有利于降低血液破坏性的工作参数取值;建立一个预测模型,使之利用搏动血泵的驱动参数对血泵的输出参数和此时的血液破坏性指标进行无传感器预测。本文的主要工作如下:1.基于流固耦合实现了搏动血泵的全流场仿真,不但对超声致动搏动血泵的血袋运动和变形利用流固耦合进行了仿真,还对进出口处的机械瓣膜旋转运动进行了仿真。对比了三种不同的瓣膜处理仿真方案(无瓣膜、固定瓣膜和旋转瓣膜),通过与粒子图像测速(PIV)实验数据的对比分析了各个仿真方案的适用场合。基于流固耦合仿真结果对血泵的溶血指标和血栓指标(包括血小板激活指标和血小板沉积指标)进行了预测,并利用体外溶血实验对溶血指标进行了实验验证,这为搏动血泵的优化提供了基础。2.提出了一种整合流固耦合仿真、响应曲面和NSGA-II算法的多目标优化框架,以三个血液破坏性指标为目标函数,优化了超声致动搏动血泵三种血室模型(Model I、Model II和Model III)的几何参数,并分析了三种模型优化结果的适用场合。3.研究了不同的工作参数(包括推板运动曲线、搏动率、每博量和辅助模式)对搏动血泵血液破坏性(包括溶血、血小板激活和血小板沉积)的影响。结果表明,不同的工作参数会显著地影响搏动血泵的血液破坏性,余弦运动曲线(相对于正弦和多项式曲线)、更大的每博量(射血分数)、更高的搏动率和反搏辅助模式(相对于同搏)可以降低血小板沉积的可能性而增加溶血和血小板激活的可能性,反之亦然。另外三个血液破坏性指标是相互冲突的,即无法通过改变同一工作参数同时降低三个指标。4.实现了一种基于神经网络的搏动血泵输出参数的无传感器预测方法,该方法利用搏动血泵的驱动参数如电机驱动频率、平均驱动电流和搏动率作为神经网络的输入参数,对血泵的输出平均压力、平均流量和此时对应的三个血液破坏性指标(IH、Dpl和Total TSP)进行无传感器预测,并利用体外模拟循环系统进行了验证。其中输出压力和流量的平均百分比预测误差均低于目前已有文献报道的预测方法的平均百分比预测误差,而利用神经网络对血液破坏性指标进行预测则是本文首次报道。