基于CFD技术的长短叶片离心式血泵流动特性分

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 6.94MB 70 页 15积分

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摘要

据世界卫生组织的相关数据，当前 30%左右的疾病是血管疾病和心脏病，

而且这个数据还呈现增长趋势。心脏外科的不断发展推动心脏直视手术的日趋

成熟，即便如此，心脏直视手术后仍有相当数量的病人出现严重低心排出量综

合征，即使服用各种血管活性药物，仍需要辅助体外循环装置进行心脏辅助，

以促进心肌功能恢复，进而安全的撤离辅助循环装置。使用辅助循环装置则可

能维持这类病人在手术过程中的血液流动，为这类手术的进行提供可能；此外，

由于捐献心脏的数量和匹配性等问题，等待供心的病人可能需要较长时间的等

待，这就需要辅助循环装置进行过渡支持以争取时间等待合适的供心，由此可

见，心脏辅助循环装置是当前缓解供心不足的重要设备。血泵是心脏辅助循环

装置的核心部件之一，若其运行过程中所产生的血栓和溶血超出安全范围将会

引发多种并发症，严重者甚至危及病人生命，因此血栓和溶血问题是衡量血泵

性能的重要指标也是血泵的重要研究课题。

CFD（计算流体动力学）随着计算机技术和数值计算方法的不断发展而得

到了迅速发展，并广泛应用于解决计算分析流体流动领域的相关问题。本文首

先介绍心脏辅助循环装置原理和发展状况，再进一步介绍心脏辅助循环装置的

关键部件血泵的情况，然后对一种血泵内部流场进行数字模拟，通过分析数值

计算结果对其内部血栓和溶血问题进行系统的研究，最后以分析结果为基础对

血泵结构方面进行分析研究。

本文对提高文章中研究的血泵的性能和该血泵的临床应用具有重要指导意

义，为优化血泵的空间造型提供了理论和数据基础，对缩短开发血泵的周期、

降低开发成本等具有一定的应用价值。

关键字：心脏外科手术辅助循环装置血泵血栓溶血 CFD

ABSTRACT

World Health Organization data show that now the percentage of heart disease

and heart disease in all kinds of disease is 30%, and the data is growing. As the

cardiac surgery continues to develop, the open-heart surgery is becoming

increasingly mature, Despite the use of a variety of vasoactive drugs, there are still a

considerable number of patients had low cardiac output syndrome after open heart

surgery, so ECMO is a necessary facilitate for myocardial recovery. Using

mechanical circulation assist device can help such patients remain blood circulation

during the operation, and only thus can ensure such operation go ahead. In addition,

the problems of shortage of donations heart or mismatching heart, make the patients

who are waiting for heart transplant maybe gain time to wait for an right heart, It is

evident that the mechanical circulation assist device is a current means of solving

shortage of right heart. Blood pump is one of the most core components of the

mechanical circulation assist device, if the thrombus and hemolysis generated during

the operating exceeds the safety range will lead to a variety of complications, the

conditions would turn worse or even be life-threatening, so the degree of thrombus

and hemolysis is a very important indexs that weigh the performance of the blood

pump, and it is also important research topic how to reduce the thrombus and

hemolysis.

CFD (computational fluid dynamics) have been developing rapidly with the

continuous development of the computer technology and numerical methods, and is

been widely applied to solve the flow field calculation and analysis issues. This

paper introduces the mechanism principles and the development of mechanical

circulation assist device, and then further information on the blood pump which is

key components of the mechanical circulation assist device, Based on this, The

numerical simulation of a specific blood pump's three dimensional flow field inside

pump are processed in detail.Then the thrombosis and hemolysis have been studied

by analyzing the numerical simulation of a specific blood pump's three dimensional

flow field inside pump, Finally Based on the analysis result, structure and main

characteristics of the blood heart are analyzed and researched in this paper.

This is of great significance in guiding the improveing performance and clinical

application of the blood pump, and provide theoretical basis for optimizing the

structure of the blood pump, and also had value to reduce the development and

modification cycles and costs of the development new blood pump.

Key Word: Cardiac Surgery, Mechanical circulation assist device,

Blood Pump, Thrombus, Hemolysis, CFD

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................... 1

§1.1 简述 ....................................................... 1

§1.2 人工心肺机简介 ............................................. 2

§1.2.1 体外循环发展简介 ........................................2

§1.2.2 心脏辅助循环工作原理 ................................... 4

§1.2.3 心脏辅助循环主要部件 ................................... 8

§1.3 计算流体动力学（CFD）技术简介 ..............................8

§1.3.1 CFD 简介 ................................................ 8

§1.3.2 CFD 相关特点 ............................................ 9

§1.3.3 CFD 技术应用方法 ........................................ 9

§1.3.4 CFD 相关软件及应用领域 .................................. 9

§1.4 心脏辅助装置研究领域中的 CFD 应用 ......................... 10

§1.5 本课题的目的及意义 ........................................13

§1.6 本章小结 ..................................................14

第二章血泵简介 ................................................. 15

§2.1 血泵的种类 ................................................ 15

§2.1.1 按血液流动状态分类 .................................... 15

§2.1.2 按泵的作用机理分类 .................................... 18

§2.2 血泵的临床应用 ............................................22

§2.3 本章小结 ..................................................23

第三章主要监护参数及课题数采集 ................................. 24

§3.1 主要的监护参数 ............................................ 24

§3.1.1 动脉压 .................................................24

§3.1.2 中心静脉压 ............................................ 25

§3.1.3 左房压 ................................................ 27

§3.1.4 电解质及血气 .......................................... 27

§3.1.5 体温 .................................................. 29

§3.1.6 心电图 .................................................30

§3.1.7 尿量 ...................................................31

§3.1.8 激活全血凝固时间（ACT） ................................32

§3.2 实验方法 ..................................................33

§3.3 运行数据采集 ..............................................34

§3.4 本章小结 ..................................................34

第四章 GAMBIT 网格划分与 FLUENT 计算控制 ..........................36

§4.1 FLUENT 和 GAMBIT 简介 .......................................36

§4.1.1 CFD 商用软件简介 ....................................... 36

§4.1.2 FLUENT 简介 ............................................ 37

§4.1.1 GAMBIT 简介 ............................................ 39

§4.2 构建血泵的三维模型 ........................................39

§4.3 网格划分 ..................................................39

§4.4 FLUENT 边界条件控制与计算 ..................................40

§4.4.1 计算模型的建立 ........................................ 41

§4.4.2 边界条件和数值模拟方法 ................................ 41

§4.4.3 FLUENT 软件运算 ........................................ 41

§4.5 本章小结 ..................................................43

第五章计算结果后处理及原因分析 ................................. 44

§5.1 速度矢量分布 .............................................. 44

§5.1 压力分布 .................................................. 47

§5.3 泵壁面剪切力分析 ..........................................50

§5.4 本章小结 ..................................................59

第六章结论与展望 ............................................... 61

参考文献 ........................................................ 63

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 66

致谢 ........................................................... 67

第一章绪论

§1.1 简述

据世界卫生组织相关数据显示，目前约30%的疾病是心血管疾病和心脏病，且

这个数字在不断增长，预计到2020年增长至40%左右[1]。心脏外科手术的数量也随

着医学技术水平的不断突破而增加。辅助循环装置主要在以下三种情况下使用：

一、对于患有急性心肌梗塞并发心源性休克的病人，即使使用药物甚至IABP，仍

有高达60%~80%死亡率，使用心脏辅助循环装置则可使这类病人血流动力学得以

稳定，从而进行手术，获得较大的生存机会；二、在这些进行心脏手术的病人中

约有1%的病人在术后出现严重低心排出量综合征，虽然各种治疗手段和血管活性

药物得到广泛应用，但是病人仍不能脱离体外循环，依然需要心脏辅助循环装置

进行相当长时间的心脏辅助，从而促使在撤离体外循环之前心肌功能恢复；三、

随着当前随着设备的日趋改善和手术技术的的日趋成熟，全世界范围的内心脏移

植手术越来越多，然而供心不足的问题也日趋凸显。据相关数据显示，有接近一

半的终末期心力衰竭患者因为等不到合适的供心而死亡。而使用辅助循环装置进

行心脏辅助循环使得等待供心的病人减少心力衰竭的影响，从而为等待合适的供

心争取时间。综合以上可以看出心脏辅助循环是当前治疗心血管病和心脏病的重

要设备。近几年来，随着心脏辅助循环装置研究的不断推进，新产品不断推出，

产品的结构和功能得到优化，其性能、可靠性及安全性愈加提高，使的无论作为

治疗措施的心脏辅助循环还是作为心脏移植的过渡支持的心脏辅助循环都取得了

较大的进步，从而明显改善心力衰竭的病人病状，显著提高他们的生活质量，许

多应用被称为全人工心脏的心脏辅助装置支持的患者在等待供心的时期可以在一

定的监护下正常的生活和工作。

血泵（又名心脏泵）是心脏辅助循环装置中的重要部件，作为流体机械的一

个新的分支，它是集生物技术、流体力学、电磁学、自动控制，材料学等为一体

的交叉新型学科。随着血泵研究的进展，心脏辅助装置性能也在日趋改善，它在

救治患者的生命、提高生存的质量和有可能恢复患者的正常生活都发挥着重要的

作用。相关工程学科的迅速发展直接推动了心脏辅助循环装置向着精密化、小型

微型化方向发展，其可靠性也大大提高。在各种类血泵中。旋转型血泵较之容积

式和滚柱式血泵相比有着体积小、可植入、安全性高、抗溶血和血栓性能好、价

格低廉并能对病人进行持久支持等优点，是今后血泵发展的主要方向。

基于 CFD 技术的长短叶片离心式血泵流动特性分析研究

CFD（计算流体动力学）是当今流体力学中较为热门的一个研究领域，是以

数值求解控制流体流动的微分方程，进而求解出流场在连续区域上的离散分布，

从而近似模拟流体流动情况。它是一门集流体力学、计算数学、计算机科学、科

学可视化等多学科的交叉学科。CFD较为符合实际流动的仿真模拟出流体流动。

§1.2 人工心肺机简介

§1.2.1 体外循环发展简介

体外循环（extracorporeal circulation）装置也被称为人工心肺机（heart lung

machine）。它主要应用在心脏直视手术中，临时代替患者心脏和肺脏的功能。心

脏搭桥手术等心脏内腔手术须在直视条件下进行，这就要求在手术过程中心脏处

于无血状态，通常是通过切患者开心脏并且暂时阻断上、下腔静脉的血流流入心

脏来实现。在正常情况下，如果患者静脉血流停止时间超过 3-4 分钟就会因缺氧而

死亡。Brge Lox 在1960 年通过动物实验证明，动物的体温降低可以延长心脏的血

流切断的时间而不致引起实验动物的组织缺氧。此后的 Lemis.Swan 等在简单的心

脏临床手术中采用低温法，并获得多次成功。但低温法有较大的局限性：一、低

温法只将血液阻断时间延长到 10 分钟，而复杂的心脏手术不可能 10 分钟内完成；

二、此法容易产生心律紊乱而导致手术失败。后来出现的体外循环则可突破以上

局限[1]。

体外循环在 100 多年以前发展就开始起步。Legallis 于1812 年就提出了明确提

出了人工循环的概念：体外循环的方法可以用来维持体内或体外任何脏器的生存;

一些生理学家在 18 世纪末和 19 世纪初通过的实验验证了这种论点的正确性：其

中就包括 Brown-Sequard 在1848-1858 年灌注的离体动物的头能保持某些神经反

射。Ludig 及Schmidt 在1868 年成功研制出可以维持恒压的灌注装置；1869 年

Luduring 首次人工氧合血液成功；

1882 年Schoset 向血液通入空气泡使之氧合，这

就是通常说的鼓泡式氧合器，从而开创血液氧合装置的先例[2]。

1885 年Von Frey 及Gruder 通过在旋转的圆筒上以薄膜形式暴露分布血液从而

实现血液氧合，之后灌注离体器官，该实验的成功标志着第一套人工心肺机问世[2]。

1890 年Jaoobe 通过间歇地挤压放在动脉端的橡皮囊实现了波动血流灌注，并

于1895 年通入动物肺进行氧合，此即为了生物氧合器的开端。

1910 年Hooks 研究发现灌注中脉压对肾脏的重要作用，并通过选取血泵得到

与正常脉搏波的类似的压力搏动波。

1916-1918 年已经能够从动物的心脏和肝脏提出肝素，但纯度不满足应用于人

体的要求，直至 1936 年才达到应用于人体的纯度。此时， A、B、O血型的发现

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摘要据世界卫生组织的相关数据，当前30%左右的疾病是血管疾病和心脏病，而且这个数据还呈现增长趋势。心脏外科的不断发展推动心脏直视手术的日趋成熟，即便如此，心脏直视手术后仍有相当数量的病人出现严重低心排出量综合征，即使服用各种血管活性药物，仍需要辅助体外循环装置进行心脏辅助，以促进心肌功能恢复，进而安全的撤离辅助循环装置。使用辅助循环装置则可能维持这类病人在手术过程中的血液流动，为这类手术的进行提供可能；此外，由于捐献心脏的数量和匹配性等问题，等待供心的病人可能需要较长时间的等待，这就需要辅助循环装置进行过渡支持以争取时间等待合适的供心，由此可见，心脏辅助循环装置是当前缓解供心不足的重要设备。血...

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