脉动条件下心室辅助装置悬浮支承稳定系统研究

This project dwells on the frontier of artificial heart,to study the ventricular assist device（VAD） with hydrodynamic bearing, it's important to research on the stability system under pulsating condition.VAD installed between ventricular and artery, reconstructs the blood circulation system within physiological demand. Due to systole and diastole of natural heart, the flowrate and pressure have a certain pulsation characteristics, in order to decrease the pulsating flow on the stability of hydrodynamic bearing, it's necessary to anlalyse the flow field under pulsating condition. The key technology will face many fundamental scientific challenges: how to ensure the hydrodynamic film formation and the stable supporting under pulsating condition; how to ensure the destruction of blood cells in acceptable hemolysis range, are the problems to be solved. So, we intends to study the pulsating blood flow to impeller suspension mechanism, for improving the reliability of the suspension system; proposes the impeller supporting anti-alternating load suspension method, for achieving a stable suspension of the impeller; establishes the stability criterion of minimum blood damage, for reducing mechanical blood damage. Source of this cutting-edge field of innovation and technological breakthroughs, not only provide safe, reliable artificial heart to patients, but will also promote the development of basic research of China's artificial organs.

本项目围绕人工心脏前沿领域，以液力悬浮式心室辅助装置为目标，开展脉动条件下的液力悬浮支承稳定系统性能研究。心室辅助装置安装在心室与动脉之间，辅助自然心脏重建符合人体需要的血液循环系统，由于受到心脏的收缩和舒张作用，其流量和压力具有一定的脉动特性，因此有必要在脉动条件下对其进行流动分析，以减小脉动工况对悬浮支承稳定性能的不利影响，其核心技术的突破，将面临许多基础科学挑战：如何保证脉动条件下动压液膜形成与稳定支承；如何保证脉动条件下悬浮间隙内血细胞的破坏在可接受的溶血范围，是必须解决的难题。为此，本项目拟研究血液脉动对叶轮悬浮支承的作用机理，以提高悬浮支承系统的可靠性；提出叶轮支承的抗交变载荷悬浮方法，以实现叶轮的稳定悬浮；建立基于血细胞最小破坏的悬浮稳定性判据，以降低血细胞机械损伤。这一前沿领域中的源头创新与技术突破，不仅为患者提供安全、可靠的人工心脏，也必将推动我国人工器官基础研究的发展。

稳定性是液力悬浮式心室辅助装置长期服役面临的关键问题。为减小脉动工况对悬浮支承稳定性能的不利影响，本项目开展了以下三方面的研究。首先，从脉动条件下悬浮支承间隙内液膜的流动特性切入，研究流动参数、结构参数对动压悬浮特性的影响规律，建立了脉动条件下悬浮支承间隙内流体流动的数学模型，在此基础上开展了悬浮间隙的进出口压差、悬浮支承结构几何参数、悬浮支承液膜的边界条件等流动参数对悬浮支承力、微米级间隙内流体流量等动压悬浮特性的工作，并给出了所设计悬浮支承结构中的一组最优结构参数；其次，分析了微米级悬浮支承间隙内悬浮支承力与血流量对悬浮支承稳定性的影响，设计了恒压槽结构以提高叶轮支承的抗交变载荷稳定性，通过对比分析二次流流量和压力得到恒压槽结构不仅可以提高悬浮支承稳定性而且可以获得良好的冲刷效果。最后，对脉动条件下悬浮间隙内血液相容性进行分析，采用正交实验与数值模拟的方法得到了悬浮支承结构关键过流间隙内的溶血估算值以及三维溶血变化趋势，以此判定所设计结构的最大溶血值是否在可接受的范围内。综合上述研究结果，本项目为心室辅助装置能够实现长期植入人体提供了基础理论和关键技术支撑。