磁-液双悬浮轴流血泵血液多因素耦合损伤机理及血泵结构优化研究

To overcome the disadvantages of mechanical bearings，which are easily worn and thrombosis, the magnetic and/or hydrodynamic levitation technologies have been applied into the third generation blood pumps in recent studies. But new technologies also bring problems, for examples, the volume, magnetic field intensity and thermal of the blood pump increase caused by magnetic levitation system; the blood injury affected by the Reynolds stress and dynamical pressure clearance; the disturbance of flow field as a result of the suspended impeller’s stability under driving moment; the multi-factor coupling injury of blood cell in the blood pump owing to magnetic field, temperature, shear stress, pressure, impact, oscillation , turbulence and so on. In order to solve these problems, researches will be carried out from the following five aspects. Firstly, the optimization of the magnetic levitation system will be studied based on the magnetic field and temperature injury principle of blood. Secondly, the optimization of the hydrodynamic levitation system will be researched based on the micro gap Reynolds stress injury principle of blood. Thirdly, the optimization of the impeller supporting structure will be analyzed based on the mechanical injure principle of blood and hydrodynamic characteristics of blood pump. Fourthly, the optimization of the suspension support system’s stability will be researched based on the oscillation injury principle of blood. Finally, the multi-factor coupling injury principle of blood in the magnetic-hydrodynamic levitated axial blood pump will be analyzed; the optimization criterion of the blood pump’s driving system, structure and its kinetics parameters will be proposed. Based on the above researches, a magnetic- hydrodynamic levitated axial blood pump will be designed, manufactured and applied clinically.

现今第三代血泵使用磁力或液力使叶轮悬浮，以克服机械轴承易磨损、易产生血栓的弊端，但同时带来了新的问题：如磁悬浮系统导致血泵体积、磁场强度和系统热量增加；动压间隙及雷诺应力对血液损伤的影响；悬浮叶轮在驱动力矩下的稳定性对流场的扰动；血泵中红细胞受磁场、温度、剪切、压力、撞击、振动和湍流等多因素耦合损伤问题。本项目针对以上问题，从以下五个方面进行研究：一、基于血液受磁场和温度损伤机理的血泵磁力悬浮系统优化研究；二、基于血液微隙雷诺切应力损伤机理的血泵液力动压悬浮系统优化研究；三、基于血泵流体动力学特性及血液机械损伤机理的血泵叶轮支承结构优化研究；四、基于血液振动损伤机理的血泵悬浮支撑系统稳定性优化研究；五、磁-液双悬浮轴流血泵血液多因素耦合损伤机理研究，并提出血泵驱动、结构和动力学参数优化准则。通过以上研究，为磁-液双悬浮轴流血泵的设计、制造及临床应用提供理论基础和技术支持。

第三代血泵的悬浮叶轮有效的解决了第二代血泵中机械轴承导致的磨损、温升和血液滞留等问题，但是悬浮支承带来了叶轮振动、动压区域液膜厚度非常小、磁耦合生热等问题，而且现有的血泵中血液损伤研究一般只考虑单个因素，忽略了是在多个因素如剪切、温度和磁场等共同作用下的实际情况，本项目针对这些问题，从以下方面进行了系统的研究：.1、针对红细胞在血泵中受损研究及血泵的流场特征，建立了合适的红细胞模型，对比选用了更为合理的流固耦合处理方法，结合PIV实验结果选取和修正了血泵流场的计算方法，为红细胞受损和血泵流场研究提供了方法基础。.2、设计了轴流血泵用磁-液双悬浮支承结构，基于悬浮机构工作原理，对悬浮支承能力进行了研究，得到了结构参数与支承能力之间的关系；搭建了悬浮支承系统的动力学系统，对动力学性能与结构参数之间的规律进行了研究；从动力学性能方面对悬浮支承系统进行了优化，在满足支承能力的同时，结构更加精简，具有更好的工作稳定性。.3、研究得到红细胞受损的极限能量值，作为红细胞受不同因素作用受损的共性评判标准；从宏观、介观和微观三个尺度研究了微隙特别是动压区域的动力性因素对红细胞损伤的影响；使用理论、仿真结合实验的方法，研究了红细胞生存率与磁场、温度的变化规律；将红细胞属性和流场条件结合，研究了剪切与撞击、剪切与温度、剪切与振动、温度与磁场等因素耦合时红细胞受损变化规律。.4、基于红细胞受动力性因素、多因素耦合损伤研究，从红细胞损伤、工作稳定性、水力性能等方面出发，对研制的磁-液双悬浮结构、驱动结构、叶轮结构等进行了优化，研制了血泵样机，结合相应的设备搭建了PIV实验系统、水力性能实验系统、动力学性能实验系统等，对理论和仿真结果进行了验证。.这些内容的研究，可以为血泵的设计和优化提供理论依据和基础数据支持，对更全面提高血泵性能具有重要的研究价值和意义。