1. 研究目的与意义（文献综述）

一、 目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1 研究的目的及意义

心力衰竭（心衰）的药物治疗并发症多、死亡率高，同时心脏移植的工体严重缺乏，无法满足心脏患者的去求。大部分病人需要循环辅助设备来维持生命，直到寻找到合适的心脏供体。近几十年来，心脏辅助装置作为一种心脏疾病的治疗装置，使得心脏疾病的终末期心脏衰竭能够得到了一定得控制和治疗，为心脏移植患者提供了一个安全的过渡阶段^[9]。心脏辅助装置指的是机械生物相结合的方式或全部代替心脏的泵的功能以维持机体循环稳定的装置。心脏辅助装置中最重要的部分是血泵装置。人工心脏泵主要分为轴流式血泵、离心式血泵和混合式血泵^[13]。其中轴流式血泵因其结构紧凑、重量轻、更容易移植等优势，得到了广泛的研究和应用，轴流式血泵作为一种左心室辅助装置，对于心脏病患者尤其是等待移植的重症患者，具有重要的意义。

目前评判血泵性能的一个重要的指标是溶血指数，此指标反映了血泵对血液的破坏程度，国内外的对于血泵的温度变化、转速、进出口压力差和叶片数目、血泵物理结构等的设计进行研究，来判断其对溶血之间的关系。

在心脏辅助装置的研究阶段，传统临床医学中采用活体动物作为实验对象和采用活体体内植入实验测试心脏辅助装置的特性更符合实际情况和更能直观的得出数据，但是动物体内植入实验费用高，试验时间周期长，这一类装置活体植入实验的一个共同缺陷就是植入后都需要长期注射抗凝药物，以防止血栓形成影响实验的进行以及体循环栓塞的发生^[11]。同时，由于受技术困难对装置在体内的水利特性和各类参数例如温度、效率、流速和压力等参数无法实现准确测量。为更好的验证血泵的水力性能，通常采用搭建体外循环实验平台的方式来进行测试。搭建仿生人体体内血液和循环的实验平台，通过模拟人类血液参数和使用相关传感器来进行数据的采集，改变血泵入口的转速来控制流量和流速。心脏辅助装置体外模拟试验平台指的是将血泵、控制系统、储液器、循环管道和各类测试器件按一定的顺序连接起来，形成一个稳定的循环系统，模拟体内心脏血和血液循环过程。相比于临床活体体内植入式实验测试心脏辅助装置的实验，体外循环实验可以在短研究周期内和合理的条件下完成血泵的水利特性研究，可准确得到血泵的具体参数，间接的证实血泵的辅助作用。

1.2 国内外研究现状

1954 年实现了第一例轴流式血泵的移植，1963 年实现了第一例轴流式血泵的临床应用。之后，轴流式血泵的设计不断被优化以提高其安全性、效率、水力特性等。对于心脏辅助装置的血泵来说，国外的对于血泵的结构设计研究也越来越多，国外最近十几年，针对小型可植入式血泵有一系列的研究与设计，主要有搏动式植入装置Heartmate泵^[3]，非搏动式植入装置如Micromed DeBakey、Thratec Heartmate及Jarvik 2000等并取得了良好的效果^[7-8]。同时，国内外各大研究机构根据血泵的结构优化设计都搭建了相应的体外循环测试平台并且进行了验证性实验，体外循环实验都是采用水、动物血液或者动物做前期实验，针对血泵的水利特性和溶血效果做了很多不可缺少的实验。

1.2.1 国内研究现状

北京心脑血管疾病研究所为研究所研制的5种不同电动叶轮血泵的水力特性^[5]，进行了体外循环实验（如图）、温度测试。其选用研制的I型离心血泵（I-CP95）、II型轴流血泵（II-AP97）、磁耦合血泵（MC-AP98）等5种血泵。测试循环管道如图1，储血器为特制的500毫升血袋，链接管道为橡胶管道，在泵的进口使用流量计（MFV3200 NIHON KOHDEN）的管状探头（直径8mm）测量流量，出口端使用阻尼阀控制压力，泵的两端使用压力计（Siemenssirecust 730）测量压力，由便携式表面温度计（JM424M，天津立文电子有限公司）测量血泵出口的表面温度。

图1-1 溶血实验循环管道模拟图

上海交通大学医学院为针对心脏辅助装置的性能研究，开展体外模拟循环实验（如图1-2所示）^[6]，能够减少动物实验的成本，同时可以为后续临床试验提供依据。其心脏辅助装置体外循环模拟实验平台主要由泵体、储液器、管道系统、压力计、阻力阀、流量计及计算控制系统等，其循环平台何以根据流量计和阻力阀监控六道的流量数据，还可以设置相应的频率、收缩比等参数对整个系统进行相关的控制、反馈数据，并通过与电脑连接进行相关的数据输出。

图 1-2 心脏辅助装置体外模拟实验平台

中南大学机电工程学院在研究血泵的流量和压力中，研发了一种基于生理参数的血泵控制设备^[2]，根据血液温度、血泵的外表温度、血泵叶片转速等情况，输出血泵转速控制信号给驱动电路，驱动点去向血泵提供功率输出，从而进行自适应流量控制。其实验平台（如图1-3所示），该部分为PC机、STC90C516RD单片机未核心的转速控制器，数据采集模块、电动阀和DC电源，电磁驱动装置和循环回路等。

对于系统输出参数（流量和压力），进行控制的具体方式为，上位机通过传感器采集系统流量和压力，并对设定值进行比较，对回路中电动阀的开度进行控制。

图1-3 磁力驱动血泵闭环控制实验系统

1.2.2国外研究现状

南洋理工大学设计的轴流式血泵的体外循环系统包括控制器、驱动系统、电磁流量计和压力传感器配合轴流式血泵进行测量（如图1-4所示）。整个实验的的数据是通过电脑的上位机软件对电机的转速进行连续调节，通过两个节流阀来调控循环系统中混合液的流量大小，通过电磁信号转化为数字信号，数字信号转化数字的形式来体现流量的大小。

图1-4 南洋理工大学轴流式血泵测试系统原理图

苏黎世联邦理工为了验证血泵设计上的数值模型搭建了血泵循环体外测试平台^[7]（如图1-5所示），其利用光聚合物树脂材料使用3D打印机制造了设计好的离心式血泵，并且利用共焦激光显微镜来检验叶轮的表面粗糙度的精度，来保证准确性。整个体外循环实验平台将叶轮通过配合安装在无刷电机（EC-max 40,120W）轴上，将3D打印的泵与两个压力控制的液体储存器连接到测试台上，使用两个压力传感器（TruWave，Edwards Lifesciences）分别连接到泵的出入口进行数据采集。

图1-5 苏黎世联邦理工使用的3D打印制造血泵的测试平台

对于现阶段国内外的血泵设计和研究来看，国内起步较晚，仍需增加实验和数据的获取。其中轴流式血泵，大多数研究都停留于应用 CFD 技术进行数值模拟仿真，取得了很好的效果，但是由于 CFD 技术的限制，对于其实际性能参数的获取仍存在技术的限制，因此为了更详细的描述轴流式血泵的水里特性，仍需要结合合理设计的血泵体外循环实验平台进行仿真模拟试验。

2. 研究的基本内容与方案

一、 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 研究的基本内容及目标

2.1.1 轴流式血泵体外循环测试平台硬件结构的设计

完成轴流式血泵体外循环测试平台的硬件结构的设计，包括模拟人体体循环中的血液流动、血液储存、血泵驱动仿真血液流动等关键环节。设计电机可合理驱动轴流式血泵参与运行，设计压力式储液装置结构和参数，同时结构上合安排流量、电机转速、温度等传感器的位置，为测试提供硬件平台。

2.1.2 轴流式血泵体外循环测试平台测试系统的设计

完成基于硬件测试平台的测试系统的设计，包括利用现有的流量、转速加上温度传感器进行实验装置的参数测量，通过传感器、整合和转换采集电流，将信号传送到上位机来测量所需要的参数，期望得到准确的数据，作为后续分析和处理的依据。通过控制血泵电机转速来进行参数调节，主要测量为血泵流量和进出口端压力差和温度。

2.1.3 主要目标

1.建立布局合理、结构稳定的体外测试平台的硬件结构，为各项传感器和阻尼阀设置合理位置。

2.测试系统可控制电机转速和阻尼阀开度。

3.测试系统根据传感器采集的数据进行处理可得出压力、流量和温度三个实验中的参数并进行处理。

4.在上位机上显示温度参数并绘制血泵和压差的Q-H曲线。

2.2 拟采用的技术方案及措施

测试平台硬件结构的设计拟采用INVENTOR三维建模软件进行虚拟样机的设计，根据所采用传感器的关联度设计接口和整体硬件系统的结构安排。

测试平台的测试系统设计方案研究主要包括基于流量、压力、温度传感器和驱动电机、阻尼阀控制电路的设计和数据采集与PC上位机的通信。

硬件电路部分，设计并搭建信号转换电路，将传感器输出的标准电压信号转换为单片机能采集的电压信号，并为驱动电机设计转速控制电路和转速测量电路，设计通讯电路，实现单片机与阻尼阀的通信。

软件设计部分通过STM32单片机控制传感器转换电路和电机转速控制电路，对数据进行采集和控制电机，上位机采用虚拟仪器Labview设计，编写通信数据读取，串口数据写入。电脑不具备串行接口，使用USB转TTL串口线进行硬件连接，并基于Labview上位机通讯，实现压力、流量、电机转速、阻尼阀的数据显示和数据处理。

详细技术路线如图2-1所示:

图2-1 技术路线

3. 研究计划与安排

（1）1-3周，碘盐收集分析有关资料，了解轴流式血泵基本原理和主要影响参数，对文献进行初步学习，翻译有关外文资料，总体方案构思，并完成开题报告。

（2）4-6周，对体外循环测试平台进行硬件结构设计，使用三维建模软件进行虚拟样机的建立，进行结构的理论计算并绘制装配图与零件图。

（3）7-12周，学习stm32f103单片机的工作原理和gpio串口通讯技术，学习labview串口通讯和监控软件的设计，设计压力、流量、温度传感器信号转换电路，设计基于labview的上位机监控软件。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] legendre.d,fonseca j,andrade a,et al.mockcirculatory system for the evaluation of left ventricular assistdevices,endoluminal prosthese and vascular disease[j],artiforgans,2008,32(6);461-467.

[2] 黄智才，谭建平，程立志，龙浩.基于血泵转速与功率特性曲线的流量压力控制[j],测试技术，2015（34），54-61

[3] w. k. chan, y. w. wong, s. y. koh, et al.performance characterization and cfd analysis of an axial blood pump[j].journal of mechanics in medicine amp; biology, 2011,05(1):151-163.