体外循环离心血泵的结构优化设计和试验研究

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3.0 高德中 2024-11-19 17 4 3.36MB 62 页 15积分
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摘 要
心脏及大血管手术中，通常会使用体外循环装置来暂时替代人体心肺功能。
血泵是其关键部件之一，用来替代心脏的泵血功能，以维持人体血液循环。目前，
国内使用的大多是滚压式血泵，与之相比，离心式血泵对血液破坏小，压力缓冲
大，安全性高，具有较好的应用前景。
本论文主要致力于体外循环离心式血泵的结构优化设计和试验研究。具体工
作包括以下几个方面：
第一，借助计算流体动力学（CFD）理论，采用试验设计方法，在灌注量、
叶轮径向速度和剪切力约束下，优选出离心式血泵基本结构类型；在设计要求的
极限条件下，提出以叶轮表面剪切力为目标的局部结构尺寸的优化方法。该方法
可以快速、有效地根据设计要求，确定最优的离心式血泵结构。
第二，设计了离心式血泵的轴系支撑组件，其主要功能是实现旋转部件和静
止部件之间的运动分离；搭建了体外循环试验平台，可以用来测试离心血泵的转
速、流量和压力。
第三，试验研究了离心式血泵的外特性。在试验平台上测试了自制离心式血
泵的转速、流量和压力关系，之后对比分析了自制血泵、BIO PUMP BPX-80 血泵
和数值模拟结果三者之间的差异。
该离心式血泵的结构类型优选和局部尺寸优化方法、血泵样机和体外循环试
验平台具有一定的理论意义、实际价值和应用前景。
关键字：体外循环 离心血泵 结构设计 试验研究
ABSTRACT
Cardiopulmonary function is replaced temporarily by artificial heart-lung machine
during cardiovascular surgery. With the purpose of sustaining blood flow, blood pump
has use for the function of pumping blood. At present, roller pump is extensively used in
homeland. By contrast, centrifugal blood pump has better application prospects than
roller pump, because of lower blood damage, more pressure buffer, and higher security.
This paper concentrates on optimal structure designing and experimental study of
centrifugal blood pump for extracorporeal circulation. Content is as follows:
1. A kind of method about optimal selection of structure of centrifugal blood pump
is proposed with CFD (computational fluid dynamics) theory with Constraints on
Perfusion and Blood Damage Indexes. And the method in which wall shear stress is
treated as optimization objective is introduced about optimal local structure in the
extreme situation of design requirements. This method can determine the optimal
structure of centrifugal blood pump quickly and effectively.
2. Axis support components for blood pump are designed. Its function is to isolate
motion. We set up a test unit used to test rotating speed, flow, and pressure for
extracorporeal circulation.
3. We research on the external characteristic of self-made centrifugal blood pump
Rotating speed, flow, pressure are tested on the unit. The differences are analyzed
among self-made pump, BIO PUMP BPX-80 and the data of numerical simulation.
The method of optimal selection of structure and dimensions, prototype, and
testing unit has theoretical meaning, practical value, and promising prospect.
Key Words: Extracorporeal Circulation, Centrifugal Pump, Structure
Designing, Experimental Study
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ...................................................................................................................1
§ 1. 1 课题的来源及意义 ..........................................................................................1
§ 1. 2 典型体外循环装置原理 ..................................................................................2
§ 1. 3 体外循环在医学中的应用 ..............................................................................3
§ 1. 4 血泵概述 ..........................................................................................................4
§ 1. 5 血泵的主要研究方法 ......................................................................................7
§ 1. 6 本课题的研究内容 ..........................................................................................8
§ 1. 7 本章小结 ..........................................................................................................8
第二章 离心血泵基本结构设计 ...................................................................................9
§ 2. 1 离心血泵的优选目标和方法 ..........................................................................9
§ 2. 2 血泵结构和工作原理 ....................................................................................10
§ 2. 3 确定泵体基本结构组合方案 ........................................................................11
§ 2. 4 数值模拟 ........................................................................................................13
§ 2. 4. 1 离心血泵数值仿真理论 ........................................................................13
§ 2. 4. 2 数值模拟的工作步骤和各参数的设置 ................................................15
§ 2. 5 数据处理和结果分析 ....................................................................................17
§ 2. 5. 1 第一轮优选 ............................................................................................17
§ 2. 5. 2 第二轮优选 ............................................................................................19
§ 2. 6 本章小结 ........................................................................................................23
第三章 离心血泵结构优化 .........................................................................................24
§ 3. 1 验证最佳结构血泵的极限性能 ....................................................................24
§ 3. 2 尺寸优化 ........................................................................................................26
§ 3. 3 本章小结 ........................................................................................................34
第四章 泵头组件和试验平台设计 .............................................................................35
§ 4. 1 泵头部分 ........................................................................................................35
§ 4. 1. 1 轴系结构设计 ........................................................................................36
§ 4. 1. 2 材料和标准件的选用 ............................................................................40
§ 4. 1. 3 血泵样机 ................................................................................................41
§ 4. 2 试验装置 ........................................................................................................42
I
II
§ 4. 2. 1 试验内容 ................................................................................................42
§ 4. 2. 2 试验平台方案 ........................................................................................42
§ 4. 3 本章小结 ........................................................................................................48
第五章 离心血泵性能试验研究 .................................................................................49
§ 5. 1 试验条件 ........................................................................................................49
§ 5. 2 试验步骤 ........................................................................................................49
§ 5. 3 试验结果 ........................................................................................................49
§ 5. 4 结论 ................................................................................................................52
§ 5. 5 本章小结 ........................................................................................................52
第六章 结论与展望 .....................................................................................................54
§ 6. 1 论文工作总结 ................................................................................................54
§ 6. 2 主要结论 ........................................................................................................54
§ 6. 3 存在的问题 ....................................................................................................55
§ 6. 4 展望 ................................................................................................................55
参考文献 .......................................................................................................................57
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...........................................59
致谢 ...............................................................................................................................60
第一章 绪论
1
第一章 绪论
体外循环(extracorporeal circulation)有狭义和广义之分：狭义体外循环又可称
为心肺转流(cardiopulmonary bypass, CPB)，机体血液持续引流至体外经气体交换后
泵入体内，它主要是保证心内直视手术的安全，为心脏外科医生提供必要的条件；
广义体外循环是指机体血液持续引流至体外，经物理、生化、药物等处理再泵入
体内的过程，它可改善机体状况，或起一定的治疗作用[1]。
§1. 1 课题的来源及意义
心脏手术被认为是最重要的医学进步之一，据中国体外循环学会的资料统计，
截止到 2008 年底，我国开展心脏手术的医院达到 671 家，2008 年全年开展的心脏
手术数量约为 14 万例。用体外循环机实现心肺转流是顺利完成多数心脏手术的先
决条件。体外循环下的心脏手术是通过心肺转流使血液不经过心脏而又能维持机
体的血液供应，在直视下切开心脏，进行缺损修补及种类复杂畸形纠治的手术方
法。除用于心血管外科术外，体外循环机还应用于还用于心力衰竭的治疗，又根
据部位不同分为左心、右心、全心辅助；肿瘤治疗、体外膜肺氧合（ECMO）、抢
救、心肺复苏、脏器移植、神经外科、及其他外科领域。
体外循环的过程中，血泵是必备的关键部件，除此之外，心脏手术的术后恢
复、心脏移植的等待期以及心力衰竭患者后期都需要使用机械辅助循环，这些应
用中，血泵也是不可或缺的。其主要是代替心室的搏出功能和术中失血的回收或
用于心脏停搏液的灌注。目前，体外循环中使用较多的血泵类型有滚柱式和离心
式。与滚珠泵相比离心泵具有对血液破坏小，压力缓冲大，安全性高，体积小，
便于移动等优点由此，由此扩展了体外循环的辅助时间和应用领域。随着体外循
环技术的发展，离心式血泵的需求量越来越大。
国内使用较多的仍然是滚柱泵和有叶轮的离心泵，但是仍存在一些问题，如
血泵的使用时间不够长、对血液破坏程度大；基于磁力驱动方式的无叶轮离心泵
的血液相容性比较好，在结构上用流体静密封传动代替动密封传动，有效减少了
漏血的发生。目前，国内医院每年使用的离心泵约有 3万个，而每只泵头的价格
为3500 元，本课题所研究的离心泵则预期达到每只价格少于 2000 元，大大提高
了离心泵被使用的程度。因此，离心式血泵的结构优化设计和试验研究具有十分
重要的理论意义和实用价值。
目前，在影响血泵性能的因素和作用机制的研究方面，水力效率研究相对比
较完善。血液相容性主要研究血栓形成和血液中红细胞破坏的影响因素和作用机
体外循环离心血泵的结构优化设计和试验研究
制，血液相容性能的优劣是衡量一个血泵能否进行临床应用的基本条件。本论文
在已有的血液相容性理论的基础上，研究血泵的设计和试验方法。
国内临床使用的血泵仍以滚珠泵为主，虽然技术已经十分成熟，但由于自身
结构存在的缺陷而将逐渐被离心泵所代替。但是离心泵中，研究较多的仍为有叶
片式的，本课题所研究的无叶片磁力驱动离心血泵则处于热门研究阶段，虽然有
一定的理论分析，但还没有生产实践经历。
离心式血泵是通过高速旋转使血液流体获得动能和压力的，因此这种血泵对
血液存在着潜在的损害。研究发现：溶血往往产生在高剪切力作用区域和血液运
动方向突然发生改变的泵壳区，血栓则常常在低流速区和回流停滞区形成。因此，
为了设计一个运转性能良好，没有溶血和血栓产生的旋转驱动式血泵，常常需要
借助原型实验、模型实验或数值模拟对血泵的流场和运行特性进行研究。
对于离心血泵的驱动装置，则已经发展到第三代，采用磁悬浮和／或液悬浮
技术。第三代血泵的血栓发生率降低，溶血减少，机械磨损消失，能效比增高。
然而由于第三代血泵发展历史仍较短，大多处于研发阶段，只有少部分已进入了
临床实验和应用阶段。很多技术还需要进一步的完善，稳定性能也需更多的临床
试验进行评估。此外，第三代血泵采用了较多的新技术及新材料，研发过程较为
复杂，价格仍较昂贵。除了江苏大学医学研究所曾培、钱坤喜等对第三代离心式
叶轮血泵进行了研究，国内对离心式血泵结构及驱动方式的研究少有报导。
另外，国内生产的人工心肺机仍然是采用滚压泵，对离心式血泵的应用较少，
为此我们想到将发展较为成熟的第二代离心血泵应用到人工心肺机中。根据市场
需求逐渐普及离心泵，而国内没有生产，现与上海世汇医用设备有限公司联合研
制新型医用体外循环离心泵。
§1. 2 典型体外循环装置原理
经典的体外循环回路[2]（如图 1-1）主要包括以下组件：血液泵、人工肺、热
交换器、阻断阀、静脉贮血器、心内血回收贮血器、心脏停搏液灌注和/或冠脉灌
注系统、过滤器、取样口、压力监测装置、血气监测仪、温度监测装置、流量计、
安全设备和监护仪器（气泡捕捉器，微栓滤器和净化管路，气泡检测器，低平面
检测器和报警器，血液浓缩器）。
2
第一章 绪论
图1-1 经典体外循环循环管路图示
Figure 1-1 detailed schematic diagram of the arrangement of a typical CPB
§1. 3 体外循环在医学中的应用
体外循环是因开展心内直视手术的需要应运而生，进行心血管手术，首先需
要保证心脏停搏，手术视野清晰，其次保证手术期间的重要脏器的供血供氧。心
血管外科手术出血量较多，通过左右心吸引系统将血液回收，再回输入体内，可
以大大减少用异体血量。大部分心脏手术对心脏都具有一定的损伤，加上原有的
心脏疾病患，心脏手术完成后有一个功能恢复过程。在此期间通过药物治疗改善
心功能。但一些患者的心脏处于顿抑状态，对药物反应不佳，需要一段时间的辅
助循环。在心血管领域体外循环除用于心脏外科手术外，还用于急诊。即在短时
间内迅速建立体外循环，并根据不同疾病和手术需要采用不同的转流方式。急诊
体外循环的不断成功实施，使得经皮冠状动脉腔内成型术的适应症更加拓宽，心
脏手术后危重患者的抢救成活率不断增加。其主要用于心肺复苏、经皮冠状动脉
腔内成型术失败后的冠状动脉旁路移植术、大血管瘤、心脏黏液瘤体卡瓣、先天
性心脏病急性缺氧发作等。经过五十多年的发展，体外循环在心血管外科中所起
3
摘要：

摘要心脏及大血管手术中，通常会使用体外循环装置来暂时替代人体心肺功能。血泵是其关键部件之一，用来替代心脏的泵血功能，以维持人体血液循环。目前，国内使用的大多是滚压式血泵，与之相比，离心式血泵对血液破坏小，压力缓冲大，安全性高，具有较好的应用前景。本论文主要致力于体外循环离心式血泵的结构优化设计和试验研究。具体工作包括以下几个方面：第一，借助计算流体动力学（CFD）理论，采用试验设计方法，在灌注量、叶轮径向速度和剪切力约束下，优选出离心式血泵基本结构类型；在设计要求的极限条件下，提出以叶轮表面剪切力为目标的局部结构尺寸的优化方法。该方法可以快速、有效地根据设计要求，确定最优的离心式血泵结构。第二...

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