1．目的及意义

1.1基本背景

为了帮助晚期心衰患者延长等待心脏供体的时间，目前临床上采用人工心脏植入人体来代替自然心脏的功能，作为心脏移植的过渡手段，以实现最终救治患者的目的^[1~4]。血泵作为人工心脏的核心部件，为患者提供合适流量和压力的血液，至关重要。根据starling定律设计的旋转式叶轮血泵，其输出送出的连续式血流更加接近自然心脏输出的脉动式血流，因而可以用于人体中^[5,6]。旋转式叶轮血泵可分为轴流式血泵、离心式血泵、混流式血泵等。其中，基于传统轴流泵设计的轴流血泵，拥有效率高、结构简单、体积小、寿命长、对血液破坏程度小、可长期植入体内等优点，已被广泛应用于临床^[7]。多年的试验研究也已经表明，人工心脏作为心脏移植的过渡循环辅助，其功效已经得到证实，也越来越符合人体的生理需求^[8]。

1.2目的及意义

采用传统方法来设计轴流血泵，通常需要经过多次实体模型的制造，并通过水力实验的结果来不断优化其设计才能确定出最佳的模型，其过程成耗时耗力耗成本。随着计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)的发展，通过CFD技术可以对设计出的血泵模型进行流体仿真分析，以得到内部流场的流动规律，进而发现设计中的不足之处并加以改进。由此可见，CFD技术对缩短血泵设计周期、降低设计成本、优化结构设计的起着重要作用^[9]。

因此，基于传统轴流泵设计方法，借助泵与旋转机械专业设计工具CF turbo设计一个轴流血泵，采用计算流体力学软件PumpLinx对其进行分析，可以对改善轴流血泵的流动性能和优化结构设计提供基础，具有一定的理论意义和实际使用价值。

1.3轴流血泵基本结构和原理

目前，大多数轴流血泵主要由前导轮、叶轮、后导轮和泵体这四部分组成。导轮由导轮轮毂和轮毂上的导叶构成，叶轮由叶轮轮毂和轮毂上的螺旋形叶片构成。前后导轮固定不动，叶轮轴向上限制在前后导轮之间，径向上可以自由旋转。轴流血泵的基本工作原理如下。首先，血液进入由前导轮和泵壳形成的流道，前导轮上的前导叶消除血液的圆周速度分量，使血液沿血泵的轴线方向流动并进入叶轮。叶轮高速旋转，将能量传给血液，血液沿螺旋线方向运动最终离开叶轮。作螺旋线运动的血液进入由后导轮和泵壳形成的流道内，后导轮上的后导叶一方面消除甚至减缓血液的旋转运动，使血液轴向地、规则地向前流动，减少对血液的损伤；二方面将血液旋转的动能转化为压力能，提高血泵的效率。血液流入和流出方向均沿血泵的轴线方向，因而称为轴流血泵^[10~11]。

1.4国内外研究现状

1.4.1轴流血泵结构优化

考虑到轴流血泵所驱动的流体的特殊性，除了满足血泵的流体性能要求，如流量、扬程等，还必须兼顾生理相容性，即对流体的保护^[12]。否则，大量的血液被破坏，轻则产生不良的生理后果，重则甚至丧失了人工心脏的意义。在流体力学方面，其研究方向是：优化血泵结构，减少血液与非生物材料的接触面积，以减少由于红细胞与人工材料表面接触而产生的破坏，同时减少血液不规则流动和高剪切力对血液成分的破坏, 提高溶血性能，尽量避免血泵内流动静止区存在，降低血栓形成的几率^[13~14]。

前后导轮方面。李国荣等^[12]在其研制的轴流血泵结构基础上分别设置了有前导叶和无前导叶两种亚型，通过对比发现在临床要求的压力和转速范围内，前导叶增加血泵效率的作用并不明显。提出可以在设计中去除前导叶, 减少血液与异物以简化结构，降低对血液的破坏程度。赵春章等^[15]用数值模拟的方法对轴流血泵进行模拟仿真，发现安装导叶可以规整流场，减少涡流，降低涡流及涡流引起的能量损失及其产生的高切应力，有利于血液流动。Untaroiu等^[16]根据能量回收公式计算出理想的后导叶片设计为: 后导叶出口处直径略大于入口处直径，后导叶偏斜角应该小于 8°，以避免流动分离，叶片曲率设计要使进入后导叶的血流达到最小的能量损失。刘世昌^[17]研究了进出口导轮叶片形状和进出口导轮叶片数对血泵流动性能的影响，并优选出最佳结构参数。

叶轮方面。刘世昌^[17]研究了转子叶片数、转子螺距、转子锥度对血泵流动性能的影响，并优选出最佳结构参数。蔺嫦燕等^[18]研制了叶片为螺旋形、叶轮外缘逐渐增大的血泵，通过体外实验与轴流血泵对比，证实螺旋血泵对血液的破坏明显低于普通轴流血泵。祝雪娇^[19]设计了一种中空式轴流血泵，减轻了血泵重量、简化了血泵结构，从根本上大大的解决了传统血泵的溶血和凝血问题。余佳佳^[20]研究了转子叶片末端与后导叶叶片前端的距离及转子表面与后导叶叶片的间隙对血泵溶血值及进出口压差的影响。李驰培等^[21]采用CFD技术分别对两片尾导叶血泵和三尾片导叶的流场进行仿真，分析发现三尾片导叶血泵内部回流减少，压力、剪应力明显减小，更符合血液动力学的要求，可以有效降低红细胞破损的概率，抑制溶血产生。

轴承、密封方面。早期以Jarvik2000为代表的轴流血泵^[22]，采用接触式滑动轴承对叶轮进行支撑。这类轴流血泵，其传动轴与轴承间存在机械摩擦会导致轴承磨损，同时摩擦生热易引起红细胞损伤，导致血栓和溶血，影响血泵使用寿命^[10]。为解决以上问题，出现了悬浮式轴流血泵，即叶轮悬浮在血液中，转子与定子间没有接触，从而消除了机械摩擦，减轻了对血液的破坏程度。另外，由于无需润滑，因此不需要密封系统，进一步简化血泵结构^[23~26]。目前有利用磁悬浮技术、液力悬浮技术，或是两者结合使用这三种方法，以实现叶轮的悬浮^[27~29]。国外方面，使用磁悬浮技术的轴流血泵有Berlin Heart公司开发的 Incor^[30]，而使用液力悬浮技术或是将磁悬浮技术和液力悬浮技术结合使用的血泵大部分是离心式血泵，如美国的HeartMateⅢ血泵、日本的DuraHeart和TinyPump血泵、澳大利亚的HeartWare血泵等^[24.27]。国内也有学者展开了相关研究。刘淑琴等^[31]研发的轴流式可控磁悬浮轴流血泵，采用电磁和永磁轴承混合的设计方案，成功实现叶轮的五自由度稳定悬浮。杨石平等^[32]提出一种混合磁悬浮方法，使叶轮自由稳定悬浮，然后通过分析讨论了轴承的轴向刚度和承载力，当采用一对永磁环时，满足设计要求，为血泵的稳定磁悬浮提供了依据。云忠等^[33]以无刷直流电机工作原理为基础，提出了轴流血泵的微型电机驱动方案，解决了外磁驱动间隙要求大、传动效率低、携带不方便等缺点，提高了血泵的可植入性。张杰民等^[34]在国内首先提出了将动压液浮技术应用于轴流血泵的设想，通过转子轴端刻入外旋转螺旋槽技术，实现动压液浮轴承，使血泵轴和转子在血液中悬浮转动。冯龙飞等^[35]提出一种磁液双悬浮支承系统，通过轴向靠磁力、径向靠径向液压力成功实现了叶轮的稳定悬浮，简化悬浮控制系统，减少系统热源，减轻温升对血细胞造成的损伤。

1.4.2轴流血泵控制系统设计

由于患者的生理状况是每时每刻动态变化着的，同时患者的生理状况也存在着个体差异，所以固定流量和压力的血泵并不能很好地满足患者的需求。因此，根据患者生理状况的不同（如睡眠、运动、兴奋、环境温度、湿度等)，轴流血泵需要自动进行相应的调整，以适应患者的生理需要，保证患者的正常生活状态。