基于叶轮调控技术的生理自适应脉动流血泵关键技术研究

The implantation of auxiliary circulating blood pump is one of the effective methods for patients with heart failure. At present, the widely used output blood flow pattern of continuous flow blood pump do not tally with the flow of the pulsation of the natural heart form. Lower blood pulsation can cause complications such as bleeding and thrombosis easily, which seriously affect the actual therapeutic effects of blood pump. Therefore, this project conducts an in-depth study on key issues such as hemodynamic characteristics, physiological adaptive control and the blood compatibility of pulsating blood pump. The blood pulsation flow is realized by the dynamic regulation of speed and the posture of blood pump impeller, and the arterial blood perfusion is adaptively adjusted according to the changes of the patient's physical status and physiological characteristics. This project establishes the pump impeller force model, pose model and control strategy under the action of the pulsing flow field, magnetic field and force field and more coupling functions. This project studies the kinematic laws of the blood pump under complicated and variable conditions and pump blood mechanism, and analyzes the influence laws of multi-degree of freedom suspension of impeller on flow field, hemolysis and thrombosis, and analyzes the influence law of blood pump surface texture and its coating material on the blood adhesion characteristics and thrombus formation mechanism under pulsed flow field conditions. This project aims to improve blood compatibility and blood pump hemodynamic output characteristics and good auxiliary of blood at the same time for further research and treatment of heart failure.

植入辅助循环血泵是心力衰竭病人治疗的有效方法之一。目前，广泛采用的连续流式血泵输出血流模式与自然心脏的搏动流形式不符，较低的血液脉动性较易引起出血、血栓等并发症，严重影响了血泵的实际治疗效果。因此，本项目针对脉动流血泵的血液动力学特性、生理自适应调控和血液相容性等关键问题进行深入研究。通过血泵叶轮转速及位姿的动态调控实现血液脉动式流动，并且根据病人身体状态和生理特征的改变自适应调节动脉血液灌注量；建立脉动式流场、磁场及力场等多场耦合作用下血泵叶轮受力模型、位姿模型和控制策略，研究血泵复杂多变工况下的运动学规律及泵血机理；分析叶轮多自由度悬浮调控行为对流场、溶血及血栓形成等的影响规律；研究脉动式流场条件下血泵加工表面纹理及其涂层材料对血液粘附特性的影响和血栓的形成机理。本项目有望在改善血泵血液动力学输出特性的同时提高血液相容性，为进一步开发具有良好辅助性能的血泵及心力衰竭的治疗奠定研究基础。

植入血泵是心力衰竭患者的有效治疗方式之一。目前，临床上采用的血泵工作模式多为医生设定的恒定转速模式，长期使用这种模式会导致主动脉血流脉动性降低，进而引发多种并发症。因此，为解决上述问题，本项目设计了一种磁液耦合悬浮式血泵，并基于悬浮式血泵的叶轮位姿调控技术实现了血液脉动式流动以及生理自适应控制方法，从而达到改善血泵血流动力学特性和血液相容性的目的。首先，基于磁液耦合悬浮理论，设计了离心式血泵的磁悬浮电机和液力悬浮结构，通过电磁悬浮和动压悬浮仿真分析方法分析了悬浮系统的刚度及悬浮力特性，并基于叶轮悬浮稳定性和驱动原理设计了一种植入式磁液耦合悬浮离心式血泵。其次，建立了单驱动磁悬浮电机及转子在多场耦合作用下的动力学模型，并基于以上模型实现了叶轮转速和悬浮位置的解耦及自抗扰控制方法。第三，基于血泵-心血管系统耦合模型，研究了叶轮在正弦和脉冲速度模式下的血流动力学特性，并设计了抑制血泵抽吸、返流的检测及控制算法。第四，建立了多目标优化函数和转速调控方法，设计了基于血泵-心血管系统耦合模型的非线性模型预测生理控制器，通过扩展卡尔曼滤波器实现了血泵-心血管系统的状态估计与反馈，进而完成了血泵的多目标优化控制。最后，搭建了人体体外模拟循环实验平台及溶血实验平台，验证了血泵生理控制算法在复杂工作状态下的鲁棒性和自适应性，并基于溶血模型和体外溶血实验分析了脉动条件下的血泵的血液相容性，为脉动流血泵的实际应用奠定了研究基础。