体外膜肺氧合(ECMO)是体外循环的衍生物,目前已经成为一种治疗严重心、肺衰竭患者的强有力手段。但是接受ECMO辅助支持的患者仍面临许多并发症的威胁,出血、血栓以及溶血这三种最常见的临床并发症使得ECMO的应用时间和范围受到限制。离心血泵是ECMO系统的动力来源,其内部叶轮的高速旋转会对血液内各组分造成很大的损伤。叶轮的前盖板是叶片与血液直接冲击的挡板,对泵内流场变化的影响十分关键。然而叶轮前盖板设计对泵血流动力学的影响尚不清晰。本文利用流体力学仿真的方法阐明设计工况下(4000 rpm,5L/min)不同叶轮前盖板设计对泵内血流动力学参数的影响规律,并结合流体实验探究其对泵水力性能的影响。研究内容如下。1、叶轮前盖板覆盖位置变化对离心泵血流动力学特性影响的数值模拟研究。建立了两种不同覆盖位置的叶轮前盖板设计,运用数值计算的方法对离心泵内流场进行血流动力学分析,通过分析血流动力学参数研究叶轮覆盖位置变化对离心泵的血液相容性及水力性能的影响规律。2、叶轮前盖板覆盖比例变化对离心泵血流动力学特性影响的数值模拟研究。建立了覆盖比例为0、1/5、2/5、3/5、4/5、1的不同前盖板设计,采用计算流体力学的方法进行数值计算,提取离心泵的速度流场分布、壁面切应力分布、剪切应力分布、修正溶血指数、扬程及效率等结果。通过这些血流动力学参数的分析来研究叶轮前盖板覆盖比例的变化对泵内血液损伤及水力性能的影响规律。3、叶轮前盖板设计对离心泵水力性能影响的实验研究。采用3D打印的方法建立泵的实体模型,搭建水力实验平台,对离心泵多工况下的水力性能进行测试,进一步分析前盖板的不同设计对离心泵水力性能的影响并与仿真结果作对比以验证其有效性。研究结果显示。1、叶轮前盖板的设计会增加蜗壳与叶轮之间的湍流区域,这些湍流区域主要集中在前盖板的进出口处。覆盖叶片尾缘的设计使得叶轮出口处的速度提升到8 m/s以上,并且随着覆盖比例的增大该高速区域进一步增大。2、同一覆盖比例,覆盖叶片尾缘的前盖板设计使得泵内剪切应力大于9 Pa、大于50 Pa、大于150 Pa的区域高于覆盖叶片前缘的设计,并且覆盖叶片尾缘设计的修正溶血指数更高。同一覆盖位置,在前盖板的覆盖比例逐渐增加的过程中,剪切应力大于9 Pa、大于50 Pa、大于150 Pa这三个阈值范围内的体积百分数以及修正溶血指数呈增长的趋势。3、血泵的叶轮前盖板设计能够提升泵的水力性能。在同一工况下,叶轮前盖板的覆盖比例越高,则其扬程和效率越高。并且覆盖叶片尾缘的设计比覆盖叶片前缘的设计能够产生更高的扬程和效率。结论如下:叶轮前盖板的设计对离心泵的性能有较大的影响,该设计增加了离心泵水力性能,但同时也加剧了血泵内的血液损伤。覆盖叶片尾缘的前盖板设计对血液各个组分造成的损伤高于覆盖叶片前缘的设计,其溶血性能也更差,但其扬程和效率更高。更进一步的研究表明,在叶轮前盖板覆盖区域的扩张过程中,离心泵内血小板激活区域、血管性血友病因子及红细胞的损伤区域增加,并且离心泵的溶血性能呈下降趋势,但是其水力性能逐步提升。由此说明叶轮前盖板覆盖比例的增加会造成ECMO辅助支持过程中出血、血栓、溶血等并发症的发生率增加,并且覆盖叶片前缘的前盖板设计的并发症发生率低于覆盖叶片尾缘的设计。