人工心脏辅助超声致动血泵数学建模与温升控制

受动作技术的限制，现有人工心脏辅助血泵，要么体积太大，很难植入到人体中或只能植入到体表面积较大的人体中，不能适用于所有的患者；要么因血泵叶轮旋转速度高，对血液破坏性较大。由于超声电机具有力矩密度大、体积小、重量轻、结构紧凑多样、转速与自然心率数值接近等特点，超声致动血泵具有体积小、重量轻、对血液破坏小的潜能。但现有超声电机是为工业与办公室自动化应用而设计，工作效率不高，连续使用时，有较严重的温升。另外，这种商用超声电机驱动的血泵结构并不具备可植入性。为此，本项目拟从超声致动血泵数学建模及其与心脏循环系统模型相互作用的仿真研究，血泵流场分析，超声致动血泵温升机理研究，和血泵温升控制方法研究入手，探索一种集超声致动血泵集总模型仿真、流场分析、温升控制相结合的超声致动血泵结构优化设计方法，并通过相应的实验研究，验证理论分析的结果。本课题将为探索、开发下一代新型人工心脏辅助器件，提供理论基础。

受动作技术的限制，现有人工心脏辅助血泵，要么体积太大，很难植入到人体中或只能植入到体表面积较大的人体中，而在体表面积较小的妇女和儿童中无法应用；要么因血泵叶轮旋转速度高，对血液破坏性较大。超声电机是一种新型的动作器，具有力矩密度大、重量轻、结构紧凑多样、转速在数值上与自然心率数值接近等特点。超声电机直接驱动搏动式血泵，可望使搏动式血泵同时具有搏动式血流、对血液损害小和叶轮泵易植入的特点。但一般工业用的超声电机有严重的发热问题，超声致动血泵的结构设计因为驱动电机的不一样，需要专门设计。为解决这些问题，本课题研究了超声致动泵的数学建模和温升控制，在以下关键理论和技术方面取得重要研究进展：.1、提出一种基于子空间辨识和无迹卡尔曼滤波估计的搏动流下出口模型的动态辨识方法，实现血泵出口流阻的精准估计，解决了平流血泵固定流阻不适合搏动泵的问题。研究结果表明出口管道的R（1,0）模型在串联的4元简化心血管集总模型参数辨识中取得了较好的参数估计结果；2、利用有限元分析软件在未考虑瓣膜作用的条件下，对超声致动泵的流场进行了简化的二维压力场、流场和剪切力场分析，发现超声致动搏动泵内血液之间的切应力小于150Pa的危险值；3、将超声电机、传动机构动力学模型及简化的人体血液循环模型相结合，建立超声致动泵的数学模型，仿真研究了超声电机输出特性、凸轮行程等对血泵输出流量和压力的影响； 4、利用血泵电机的热学方程和三维有限元分析，计算血泵电机的振动损耗、介电损耗和摩擦损耗，获得血泵电机的温度特性；5、利用有限元软件分析超声致动血泵温度分布，仿真研究泵体材料、镀层、及微循环管道等对散热的影响效果；6、为探索利用低压驱动控制血泵温升，研究了双频驱动矩形板超声电机的温升特性，及血泵间歇工作时的温度特性。.本课题全面完成研究计划，实现预期的研究结果。已研制出血泵原理样机一套，发表标注自然基金批准号SCI论文3篇，等待发表SCI源期刊论文1篇；发表国内核心期刊和会议论文9篇；申请中国发明专利4件，其中1件已授权。本项目已培养博士生和硕士生8人。