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经皮导管泵是一种借助微创手术植入的新型左心室辅助装置,因其植入简便、创伤小等特点,可作为急性心衰患者的短期治疗方法和急救措施,以维持患者的血液循环。 本课题基于左心室辅助的生理要求,设计了一种可用于短期心室辅助的经皮导管泵,并利用计算流体力学(CFD)技术对其流场的血液动力学行为进行了仿真,借助数学模型,对抗溶血、血栓性能进行了预测,最后通过水力实验验证了导管泵的可行性。 首先,确定了经皮导管泵的基本设计要求,在此基础上提出了经皮导管泵的设计方案,确定了叶轮的结构和电机的驱动参数。 其次,应用CFD技术分析导管泵的水力性能和血液相容性。采用非结构网格技术对流道进行网格划分,应用k-ε湍流模型进行数值仿真,采用基于拉格朗的粒子示踪技术,获得血细胞粒子的活动轨迹。采用Giersiepen模型进行抗溶血性能预测,借助 Grigioni和Danny Bluestein模型进行血栓预测。导管泵的水力特性曲线表明导管泵在转速为9000r/min时,流量为4L/min时,泵的扬程可以达到94mmHg,达到左心室辅助要求;速度场显示泵内流动模式规则,没有明显导致血损的流动模式;流道内,最大壁面切应力为158Pa,仅分布于靠近进口处的叶片工作背面,其他区域的壁面切应力均低于150Pa;导管泵的溶血值为2.70E-05,小于实验允许值5.23E-03;Grigioni和Danny Bluestein模型计算得到的导管泵血小板活性值PAS分别为6.35E-06和7.68E-04,小于3.03E-02的实验允许值。基于CFD的数值分析表明,本文提出的导管泵可满足水力性能和血液相容性的要求。 最后,搭建了血液循环模拟实验台,制作了导管泵样机,并进行了水力实验。水力实验结果表明,实验所得到的H-Q特性曲线与模拟特性曲线整体变化趋势相同。在转速为9000r/min、流量为4L/min时,扬程为为82.6mmHg,可达到水力性能要求。实验的扬程数值在相同流量下比仿真结果低5-15mmHg,原因在于实验过程中的机械、水力损失以及误差因素的影响。水力实验表明导管泵的水力性能符合生理要求,验证了导管泵的可行性。