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后負荷對Sarns000離心泵溶血情況的影響

來源:博山東方水泵    發布時間:2019-02-13 11:22    瀏覽量:

  上海交通大學學報(醫學版)后負荷對Sarns2000離心泵溶血情況的影響韓露'王偉'俞曉青丁文祥1(上海交通大學醫學院附屬上海兒童醫學中心1.心胸外科,2.兒科轉化醫學研究所,上海200127)400r/min轉速下,有后負荷時流速降低,泵的流量降低。泵內壓力增大,溶血破壞增加;但剪切力大于150Pa的區域小于0.000032,對溶血的控制較好。結論后負荷壓力會導致Sarns2000離心泵內溶血破壞的概率增加,但不會出現因剪切力導致大量溶血的問題。

  離心泵是心肺轉流和輔助循環常用的血泵,若其運行過程中產生的血栓和溶血超出安全范圍將會引發多種并發癥,嚴重者甚至危及患者生命。因此,血栓和溶血問題是衡量血泵性能的重要指標。

  為清晰直觀地反映出泵內速度矢量、壓力和剪切力分布這些可能影響溶血情況的因素m,本文運用計算流體仿真(computational fluiddynamics,CFD)的研究工具GAMBIT軟件和FLUENT軟件,對Sarns2000離心式心室輔助裝置內部流場進行數字1材料與方法1.1血泵及流道的三維模型構建Sarns2000磁動力離心式血泵(Terumo,曰本)(A),該泵選用丙烯酸樹脂作為泵頭材料,互相垂直泵進出口設計,全封閉磁懸浮血泵,因此無密封及摩擦產生熱量等問題。6個長葉片和6個短葉片交替構成葉輪,開放式流場。泵殼、葉輪、底座及內部的磁體構成―個整體,拆卸血泵,測繪泵體各部分的具體尺寸,用AutoCAD軟件繪制零件圖及裝配圖。根據泵的外輪廓基金項目浦東新區科技發展基金創新資金(PK2010-Y30)(FoundationofDevelopment韓露(1984―),女,助理工程師,碩士;電子信箱:hlrain0621163.com.通信作者王偉,電子信箱:wangweicpb構建實心的配體模型,將之與泵體模型相減得到型腔,即為整個開放式流場的三維模型(B)。

  1.2網格劃分采用FLUENT前處理軟件GAMBIT劃分模型網格,由于計算區域的結構不規則且含有很多曲面復雜形狀,故采用更廣適應范圍的完全非結構的四面體網格單元(TGrid)對泵體進行網格劃分m,并用SIZEFUNCTION功能對局部網格加密。

  離心親A.整體計算網格;li.網格局部加密計算網格Fig 1.3血泵內部流場的計算模型H模擬血泵在非搏動轉流模式下,穩定轉流期的流動情況,故采用定常流來近似模擬流場,將葉輪和中軸等旋轉部件設定成旋轉固壁,泵殼固壁設定成靜止固壁,泵殼和葉輪區域作為整體進行求解計算。

  通用求解控制方程如式(1):表等求解變量,為廣義源項H. 400r/min工況下,收縮壓66 mmHg(1mmHg=0.133kPa)情況下,流量為1.19L/min;并與空載狀態下自由出流,流量為3.64L/min的進行對比。選用速度進口的進口邊界條件,可將進口速度沿進口界面看作均勻分布,進口截面平均流速u根據,圖中隨顏色加深泵內液體流動速度增大,數值計算的結果顯示,血泵穩定工作狀態下泵內部速度場分布較為均勻合理,湍流現象較少,出口拐彎處顏色加深,是特別需要關注的部位,此處還出現回流、漩渦等復雜流動。網格劃分時對此處進行了加密處理,可以更加地反映其內部速度矢量分布。在拐彎處附近的流動速度差別較大,A所示壓力出口的流速低于B自由出流時,此處空載時流速明顯較大,隨著出口壓力的增大,泵將血液的動能轉化為壓力能,出口處流速降低。

  2.2壓力分布400r/min下泵體內縱剖面(z =0)的壓力分布見,顏色越深的部分壓力越大,血流壓力經泵旋轉后提升的過程,顯示血流從泵入口到泵出口壓力增大。通過對比可以看出,A的深色面積明顯大于B,指示在相同轉速的情況下,有后負荷的工況比空載時產生更大的泵內壓力。

  口卜泵內部速度矢量分布A.66mmHg出口壓力;B.自由出流。

  出口處速度矢置分布= A.66mmHg出口壓力;B自由出流。

  泵體縱剖面靜壓云圖(z=)2.3剪切力分析泵的剪切力主要分布于泵殼表面、葉輪表面和出口處,顯示各表面的剪切力分布,圖中紅色代表進口,綠色代表動壁面即葉輪表面,紫色為出口,藍色為靜壁面即泵殼表面。從圖中可以看出整體上葉輪的剪切力較大,泵殼次之,其余區域的剪切力都較小。由圖整體上看泵殼上的剪切力較小而葉輪的剪切力較大。進一步關注葉輪表面剪切力分布,圖中由藍到紅代表剪切力逐漸增加,可以看出葉輪高剪切力區域均出現在葉輪圓環外延處,且隨流量增大而變大,即高剪切力區域越大,溶血增多。對所有接觸面剪切力區間分布數據進行分析可見,所有接觸面內剪切力大于150Pa的區域小于各表面的剪切力分布Fig A.66mmHg出口壓力;B自由出流。

  葉輪表面剪切力分布圖(z=)3討論速度矢量分布圖顯示,血泵穩定工作狀態下泵內部速度場分布較為均勻合理,湍流現象較少,1400r/min轉速下速度矢量分布合理,空載時泵的流量較高,后負荷會降低泵的出口流量。出口處的復雜流動也降低了血泵的輸出功率,漩渦和回流會使紅細胞停留在血泵中的時間延長,紅細胞破損的概率也隨之增大,導致溶血增多。壓力云圖顯示,壓力出口轉化了更多的壓力能,以提供后負荷壓力,克服外周阻力。

  血液內的紅細胞受到機械運動和湍流運動的作用會產生溶血破壞,致使血紅蛋白游離到血漿中。在血泵中,由流體或固壁作用力造成的血液損傷由兩方面因素共同決定:紅細胞的受力負荷值和暴露時間6 7.根據Giersiepen等的研究顯示,表征溶血程度的值與暴露時間t和切應力t的關系如方程(2)所示:本研究顯示:切應力值矣150Pa環境下,紅細胞即使暴露的無限長時間也不會因為切應力被破壞;當切應力在150~1000Pa范圍時紅細胞開始受到破壞,此時由切應力大小和暴露時間共同決定是否溶血,切應力作用時間超過1s將引起紅細胞破壞;當切應力值在臨界值1 Pa以上時,紅細胞即使暴露的極短時間也會破壞。當血泵轉速在1紅細胞在泵內停留時間不超過1s,所有接觸面內剪切力大于150Pa的區域小于0.000 032,沒有出現大于1000Pa的區域,對溶血的控制較好,不會出現因剪切力導致大量溶血的問題,為該泵的臨床應用提供了數據支持。

  定常流計算能夠反映血泵在非搏動轉流模式下,穩定轉流期間的流動情況,但此仿真不適用于血泵剛啟動和出現血壓波動時。由于CFD計算的簡化,將會引起一定的誤差,尤其是溶血多發的湍流運動區中高剪切應力區域和不規則的流動區域可能產生的誤差較大。

  通過血泵空載狀態和有出口壓力工作狀態的數值計算結果對比發現,由于后負荷的壓力作用,血泵流量明顯降低,不再符合空載時的壓力-流量曲線韓露,等:后負荷對Sarns2000離心泵溶血情況的影響bookmark7規律,此時為達到低流量、高揚程的轉流要求,需要提高血泵轉速,泵內壓力增大,溶血破壞增加。另外,還需要較為密集的轉速覆蓋范圍和壓力覆蓋范圍數據才能保證所得的數據可以為臨床應用提供支持,并為血泵的改進提供。

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