《人工心臟輔助超聲致動血泵數學建模與溫升控制》是依託上海交通大學，由楊明擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：人工心臟輔助超聲致動血泵數學建模與溫升控制
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：楊明
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
受動作技術的限制，現有人工心臟輔助血泵，要么體積太大，很難植入到人體中或只能植入到體表面積較大的人體中，不能適用於所有的患者；要么因血泵葉輪旋轉速度高，對血液破壞性較大。由於超聲電機具有力矩密度大、體積小、重量輕、結構緊湊多樣、轉速與自然心率數值接近等特點，超聲致動血泵具有體積小、重量輕、對血液破壞小的潛能。但現有超聲電機是為工業與辦公室自動化套用而設計，工作效率不高，連續使用時，有較嚴重的溫升。另外，這種商用超聲電機驅動的血泵結構並不具備可植入性。為此，本項目擬從超聲致動血泵數學建模及其與心臟循環系統模型相互作用的仿真研究，血泵流場分析，超聲致動血泵溫升機理研究，和血泵溫升控制方法研究入手，探索一種集超聲致動血泵集總模型仿真、流場分析、溫升控制相結合的超聲致動血泵結構最佳化設計方法，並通過相應的實驗研究，驗證理論分析的結果。本課題將為探索、開發下一代新型人工心臟輔助器件，提供理論基礎。
結題摘要
受動作技術的限制，現有人工心臟輔助血泵，要么體積太大，很難植入到人體中或只能植入到體表面積較大的人體中，而在體表面積較小的婦女和兒童中無法套用；要么因血泵葉輪旋轉速度高，對血液破壞性較大。超聲電機是一種新型的動作器，具有力矩密度大、重量輕、結構緊湊多樣、轉速在數值上與自然心率數值接近等特點。超聲電機直接驅動搏動式血泵，可望使搏動式血泵同時具有搏動式血流、對血液損害小和葉輪泵易植入的特點。但一般工業用的超聲電機有嚴重的發熱問題，超聲致動血泵的結構設計因為驅動電機的不一樣，需要專門設計。為解決這些問題，本課題研究了超聲致動泵的數學建模和溫升控制，在以下關鍵理論和技術方面取得重要研究進展： 1、提出一種基於子空間辨識和無跡卡爾曼濾波估計的搏動流下出口模型的動態辨識方法，實現血泵出口流阻的精準估計，解決了平流血泵固定流阻不適合搏動泵的問題。研究結果表明出口管道的R（1,0）模型在串聯的4元簡化心血管集總模型參數辨識中取得了較好的參數估計結果；2、利用有限元分析軟體在未考慮瓣膜作用的條件下，對超聲致動泵的流場進行了簡化的二維壓力場、流場和剪下力場分析，發現超聲致動搏動泵內血液之間的切應力小於150Pa的危險值；3、將超聲電機、傳動機構動力學模型及簡化的人體血液循環模型相結合，建立超聲致動泵的數學模型，仿真研究了超聲電機輸出特性、凸輪行程等對血泵輸出流量和壓力的影響； 4、利用血泵電機的熱學方程和三維有限元分析，計算血泵電機的振動損耗、介電損耗和摩擦損耗，獲得血泵電機的溫度特性；5、利用有限元軟體分析超聲致動血泵溫度分布，仿真研究泵體材料、鍍層、及微循環管道等對散熱的影響效果；6、為探索利用低壓驅動控制血泵溫升，研究了雙頻驅動矩形板超聲電機的溫升特性，及血泵間歇工作時的溫度特性。 本課題全面完成研究計畫，實現預期的研究結果。已研製出血泵原理樣機一套，發表標註自然基金批准號SCI論文3篇，等待發表SCI源期刊論文1篇；發表國核心心期刊和會議論文9篇；申請中國發明專利4件，其中1件已授權。本項目已培養博士生和碩士生8人。
