瓣膜泵的內流場和血液相容性研究

《瓣膜泵的內流場和血液相容性研究》是依託江蘇大學，由王芳群擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：瓣膜泵的內流場和血液相容性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王芳群
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

瓣膜泵是一種新型心室輔助裝置，植入主動脈瓣位置，用於輔助左心室泵血，同時又起到主動脈瓣的作用。由於不占用額外的解剖空間，直接從左心室往主動脈輸送血液，不需要連線管路和旁路，形成血栓的危險要遠小於傳統心室輔助裝置。瓣膜泵套用於臨床，關鍵在於解決血液相容性問題，尤其是溶血問題。本項目以課題組研製的瓣膜泵樣機為研究對象，對泵內部的內流場和血液相容性進行基礎科學研究，為其臨床套用奠定理論和技術基礎。具體內容包括：理論研究瓣膜泵的計算流體力學模型和邊界條件，實現內流場的計算；基於內流場特性，根據溶血機理和血液動力學理論，分析葉輪設計（葉片數和葉片角）和運行條件（流量和進出口壓差）對流動模式和血液相容性的影響，確定瓣膜泵最佳的葉輪設計和運行條件；建立人體血液循環模擬系統，對瓣膜泵進行溶血實驗，要求瓣膜泵的溶血指標達到0.05 g/（100L）；開展動物實驗，要求實驗動物的血紅蛋白濃度維持在正常範圍。

結題摘要

項目以新型左心室輔助裝置－－瓣膜泵的內流場和血液相容性為研究內容，以解決溶血問題為目標，分析了影響瓣膜泵血液相容性的機理和原因，構建了基於數值結果的溶血預測模型，套用CFD計算流體力學分析了葉輪設計、泵的結構對瓣膜泵流動模式的影響，預測瓣膜泵的水力和溶血性能，實現泵的設計最佳化，並通過血液循環模擬實驗台驗證水力和溶血性能，使其溶血指標達到臨床套用值。最後進行了急性動物實驗，驗證其可行性。項目組在國內外期刊、會議上發表論文（含錄用）16篇，SCI檢索1篇，EI檢索（含待檢）13篇，ISTP檢索3篇, 獲得授權發明專利1項，申請發明專利1項，獲得中國機械工業科學技術三等獎1項。具體研究內容與成果概略如下： 　　（1）構建了針對瓣膜泵的溶血預測模型 　　確立了溶血的本質原因為切應力，根據切應力、暴露時間和溶血的函式模型和基於應力湍流模型的數值結果，建立了瓣膜泵溶血預測模型。分析並確立了影響瓣膜泵溶血性能的主要影響因素為葉輪設計、瓣膜泵結構、電機性能和加工工藝。 　　（2）基於CFD的瓣膜泵的設計最佳化和溶血性能預測 　　建立了專門針對高速微型瓣膜泵的數值方法，提出了套用流動模式（速度分布、壓力分布、切應力分布等）實現瓣膜泵水力和溶血性能的定性預測方法和基於溶血預測模型的定量預測手段。通過數值分析篩選出瓣膜泵葉輪的四種改進設計、兩種泵結構以進行實驗驗證。 　　（3）溶血和水力實驗研究 　　建立血液循環模擬系統，實現流量、壓力等生理參數的自動調節和檢測；套用模擬實驗台進行了水力實驗和溶血實驗，驗證了基於CFD的瓣膜泵性能預測的可行性。實驗表明，瓣膜泵用於左心輔助時，其開式結構的最低溶血指標達到0.03 g/100L，閉式結構的最低溶血指標為0.06 g/100L，低於人工心臟臨床套用要求 0.1 g/100L，實現了項目的技術指標。 　（4）急性動物實驗研究 　　考慮到植入性要求，對採用閉式結構和流線型葉輪的瓣膜泵樣機開展了左心輔助急性動物實驗。實驗共進行了四次，兩次實驗動物的存活時間超6h。動物實驗表明，瓣膜泵在左心室輔助中能產生超過40-120mmHg，0.5-4L/min的血流，滿足生理要求；實驗動物的常規生化指標維持在正常範圍，而血漿游離血紅蛋白則由於溶血隨著運行時間的增加而逐步上升。動物實驗驗證了瓣膜泵作為左心室輔助裝置的可行性。