基于Multi-Scale模型的轴流血泵瞬变流及空化机理研究

Axial-flow blood pump（AFBP） in constant speed condition cannot meet the basic requirements of bridge-to-recover left ventricular assist device in a pulsatile flow condition. Yet how does the variable speed assistant？How unsteady operation affect the blood compatibility of blood pump? Does cavitation occur? We have built 0D lumped-parameter circuit model of circulation, and predicted hemolysis, thrombosis and cavitation of a blood pump based on 3D computational fluid dynamics model analysis. Supposed 0D lumped-parameter model combined with 3D CFD model of a blood pump, is applicable to analysis of the operation state of a blood pump in a variety of heart failure. This project aims to develop a AFBP by building a multi-scale model of 3D blood pump-0D blood circulatory system , and to analyze transient flow operation state of a variable-speed AFBP in a cardiac cycle，and to find speed control rule . On this scientific basis, blood compatibility and cavitation of AFBP in unsteady operation and are investigated, for improvement of design of variable speed control and clinical application.

恒转速轴流血泵不能满足脉动流条件下左心辅助恢复的基本要求。那么，变转速辅助时的情况又如何？非稳态工况下运转是否对血液相容性产生影响？是否有空化现象产生？我们已经建立了血液循环的0D集中参数电路模型，并且通过3D计算流体力学（CFD）模型的分析计算，预测血泵的溶血、血栓和空化的产生情况。假如将0D集中参数模型和3D血泵CFD模型结合，能够用于各种心衰条件下心动周期内血泵的运行状态的模拟分析。本项目以自主研发的植入式轴流血泵为研究对象，建立3D血泵-0D血液循环系统的多尺度（multi-scale）模型，对心动周期内变转速左心辅助轴流血泵的瞬变流运行状态进行分析，找出变速辅助的速度变化规律。在此基础上，研究轴流血泵非稳态条件下运转时对血液相容性的影响，空化的产生条件及预防措施，为轴流血泵变速辅助控制系统的设计和临床应用提供理论依据和技术支撑。

以恒转速控制为主的旋转血泵作为心衰末期患者的主要治疗手段之一尽管取得了一些进展，但该辅助方式仅仅使主动脉的平均压力和流量达到了正常生理水平，降低了主动脉压得搏动性，导致收缩压降低、舒张压升高，对血管的功能和几何结构产生影响，从而导致一些并发症的产生。此外，恒转速控制方式还可能造成抽吸或返流现象，不能达到有效的左心辅助目的，严重阻碍了旋转血泵的快速发展。因此，本项目以自主研发的轴流血泵为研究对象，研究变转速最佳辅助控制的轴流血泵进行左心辅助时，轴流血泵的性能特性，为血泵的变转速控制提供理论依据和技术支持，具体研究如下：.1、建立了轴流血泵-左心血液循环系统串联的集中参数模型，确定其相应参数和血泵速度控制方程，列出参数方程，并通过调节相应参数，计算出不同心衰条件下一个心动周期内轴流血泵的速度变化曲线；.2、对轴流血泵进行3D建模，并与集中参数模型耦合，建立Multi-Scale模型。根据轴流血泵速度变化曲线，找出心动周期内各特征时间点的运转速度和血泵的工况参数，作为轴流血泵3D模型仿真的初始条件；.3、根据得到的轴流血泵特征时间点的初始条件，使用Fluent软件对轴流血泵3D模型进行模拟仿真，得到了变转速最佳辅助状态下各特征时间点轴流血泵的内部流场和剪切应力分布情况，对轴流血泵各特征时间点的溶血情况进行了分析；.4、研究分析了轴流血泵空化产生的机理，并使用CFD软件模拟了各特征时间点时轴流血泵内部的空化产生情况。.研究发现，轴流血泵变转速控制达到最佳辅助时，其射血期的转速明显高于等容收缩期、等容舒张期和充盈期，最高转速可达到26000转/分，并且随着心衰程度的增加而增大，其内部剪切应力超过溶血产生的临界值，会有溶血现象产生，其血泵内部局部位置压力低于空化临界值，会有空化现象产生，但该时期持续的时间非常短，速度在空化临界点18000转/分以上的持续时间只有0.1s，所以溶血和空化现象不会太严重；在等容收缩期、等容舒张期和充盈期，流量为零，血泵的作用主要是维持主动脉和左心室之间的压差，防止血液返流，其转速大约维持在9000转/分，使血泵内部的剪切应力低于溶血产生的临界值，不会有溶血产生，血泵内部的压力也高于空化产生的临界值，不会有空化现象产生。