叶轮转速脉动对心室辅助装置血液兼容性的影响研究

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心室辅助设备为晚期心衰病人提供了一种除心脏移植以外其他的治疗手段,然而术后并发症,比如感染,出血、血栓和溶血等的发生,仍然阻碍着心室辅助设备的继续发展和扩大应用。其中血液泵中溶血和血栓等血液兼容性问题是心室辅助装置能否安全广泛的应用于临床的关键因素,血液泵的血液兼容性问题具有重要的科研和应用价值。本文应用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真技术,使用ICEM对流体域进行结构化网格划分,通过Fluent的动网格技术,探究了叶轮转速脉动和轴向位置脉动对血液泵整体流道以及二次流道血液兼容性的影响。为实现叶轮的转速脉动和轴向脉动的耦合,提出并设计了一种非对称闭式螺旋槽止推轴承。当叶轮转速脉动幅度为1000转每分钟时,该闭式螺旋槽轴承提供0.1503 N的承载力,叶轮产生幅度为25μm的轴向运动。通过建立溶血和血栓预测模型,分析了叶轮转速脉动和轴向脉动耦合下的瞬时血液兼容性指数,在高转速时(4400转每分钟)血小板冲刷效应增强12.5%,并且在一个周期内,平均溶血指数保持不变。通过方波的脉动工况与正弦波的脉动工况对比,发现方波的脉动工况可以更有效避免增加血液泵中的溶血。此外,本文研究了转速脉动、轴向脉动以及耦合运动对二次流道血液兼容性的影响。当只有转速脉动时,转速上升会增大二次流道中的标量剪切应力和壁面剪切率,减小红细胞的暴露时间,在保证一个周期内的平均溶血指数在可接受的范围内(<0.1 g/100L)的情况下,血小板冲刷效应增强了61.6%,减小了二次流道中血栓形成的可能性。轴向脉动改变二次流道中的标量剪切力分布,但是上下二次流道的平均溶血指数基本不变,对血小板冲刷效应影响不大。当叶轮做转速脉动和轴向脉动的耦合运动时,上二次流道的血小板冲刷效应会进一步增强,达到66.8%。
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