CN1596999B - 螺旋制式翼型微型血泵 - Google Patents
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Abstract
一种螺旋式翼型微型血泵属于人工器官设计和制造技术领域，其特征为：它是一种新提出的血泵，可以达到离心泵的高扬程，满足人体的生理辅助要求，同时工作原理接近轴流泵，推动血液在螺旋式的平滑通道内前进，因而可以大大减小对血液的破坏作用。该血泵在从轮毂根部到叶轮外缘取若干圆柱截面，在每个截面上构造迎风线和背风线两条螺旋线，连接闭合形成翼型，将各截面翼型光滑连接形成螺旋叶轮；各个截面的两线构造只是直径不同，螺旋线的螺距两线各按相同的规则变化，便于构造有利绕流的翼型。仿真实验结果证实该设计是适用于生理辅助的。
Description
技术领域
螺旋式翼型微型血泵属于人工器官设计制造技术领域。
背景技术
心脏辅助装置是应用机械或生物手段部分或完全替代心脏的泵机能，维持全身良好的血液循环状况的治疗方法。早期的辅助装置多为仿生式的隔膜式血泵。进入90年代后，国外很多研究中心纷纷转向微型叶轮式(特别是轴流式)血泵的研究，形成目前该领域的主流。1988年Wampler等首先介绍了Hemopump——一种微型轴流式血泵用于进行临时性循环支持。此后，Hemopoump在临床中逐步小规模地使用。同一时期发展最好的轴流泵还有Eiki.Tayama等从60年代开始开发的Debakey以及Stephen.Westaby从1998开始开发的Jarvik。
我国早在80年代就开始了人工心脏辅助装置的研究工作。90年代末期，我国研究人员提出了植入式动力性主动脉瓣的设想。与Hemopump类似，动力性主动脉瓣的核心组成部分为一微型轴流泵。
目前，微型血泵在临床应用时主要是离心泵和轴流泵两种。据临床实验和动物实验观察，离心泵和轴流泵的工作效果有以下的问题：
1)血泵对于人体的生理辅助要求：流量Q＝5升/分钟，扬程H＝80～100毫米汞柱。对于血泵的驱动转速一般离心泵较小，n＝4000～10000转/分钟；轴流泵较大，n＝10000转/分钟以上，例如Hemopump的转速可以达到n＝26000转/分钟；
2)在工业上我们判断某种水力条件下需要使用的泵型主要是看比转速ns：n-转/分，H-米水柱，Q-立方米/秒，按比转速从小到大，30～300为离心泵，300～500为混流泵，500～1000为轴流泵，低比转速意味着高扬程小流量，高比转速意味着低扬程大流量；
3)根据血泵辅助要求，按2的比转速的定义估算：血泵的比转速落在离心泵和混流泵的范围内，也即是血泵的流体特性为高扬程小流量，所以离心泵在血泵设计中广泛使用，但是离心泵的离心力对于血液红细胞产生较大的破坏作用；近年尝试很多的轴流式设计，大大减小对血液红细胞的破坏，但是轴流式的升压也即扬程不够，所以目前采用的办法是优化翼型设计，提高转速和多级设计：优化翼型受限较大，Debakey等新型轴流泵都对翼型设计进行了研究，血泵叶轮使用的还是传统轴流泵翼型，转速受驱动能源限制，多级设计会大大增加植入体积和机械复杂度，这就提出了一个问题：我们能否设计出一种新的微型血泵，既可以达到离心泵的扬程，又可以如轴流泵对血液红细胞破坏较小。
发明内容
本发明的目的在于提出一种螺旋式翼型微型血泵及计算机仿真制作方法，它在8000转/分钟甚至以下的转速可以达到生理辅助要求，同时又能大大减少血泵对红细胞的破坏作用，降低血泵的能耗。
本发明所述一种螺旋式翼型微型血泵，其特征在于：
1.所述血泵的叶轮直径为20mm，轮毂直径为叶轮直径的35％～55％，轮毂长度即血泵总长为30mm～50mm，螺旋叶轮轴向总长度为30mm，螺旋叶片数等于1，即螺距30mm，叶片厚度即轮毂圆柱在外周上的两条螺旋型圆弧线所对应的圆心角是均等的，取值在5～10度，左侧轮毂表面曲线的方程为y1＝a1x12，a1＝0.3000～0.4000，右侧轮毂表面曲线的方程为y2＝a2x22，a2＝1.1000～1.3000，其中，y为轮毂轴向坐标，x为轮毂径向坐标，原点为轮毂表面与轮毂轴线的交点。
2.所述左侧轮毂表面曲线方程的系数a1＝0.3265。
3.所述右侧轮毂表面曲线方程的系数a2＝0.2245。
4.所述叶片厚度为10度角。
5.所述的螺旋叶片为3～5片，在轮毂圆柱的外周上均匀分布；
本发明已在计算机上用Unigraphics18等通用CAD软件中实现；并且经过严格的建模和有限元仿真计算，扬程和流量可以满足辅助要求，同时由于螺旋翼型的连续性，可以减小对血液红细胞的破坏。
附图说明
图1.螺旋式翼型血泵的轴线总压分布示意图。
图2.螺旋式翼型血泵的垂直轴向截面的总压分布示意图。
图3.螺旋式翼型血泵的原理步骤1。
图4.螺旋式翼型血泵的原理步骤2。
图5.螺旋式翼型血泵的有限元网格划分。
图6.螺旋式翼型血泵和血管整体的有限元网格划分。
图7.原理螺旋式翼型血泵的三维结构图。
图8.设计及仿真计算流程框图。
具体实施方式
1.根据血泵的植入条件确定：血泵的叶轮直径20mm(略小于植入腔主动脉根部直径23～25mm)和长度(叶轮长度会受到生理结构上的限制，为了减小和体腔的接触面达到辅助要求的条件下尽量减短，本设计中取30mm)，轮毂直径(叶轮直径的0.35～0.55)和长度(30mm～50mm)，轮毂的两端均使用二次型流线设计，左侧轮毂表面曲线为y＝0.3265x2，右侧轮毂表面曲线为y＝1.2245x2，在此曲线表达式中，左右定义以说明书附图3为准，y为轴向坐标，x为径向坐标，以表面曲线与轴线的交点为原点；
2.以轮毂轴心线为轴，从轮毂轴线到叶轮外缘均匀间隔取5个半径长度，分别做5个圆柱，在各个圆柱外表面上分别作出两条螺旋线，均为螺距30mm，半径为圆柱半径的单螺线，各个圆柱表面上两条相同螺旋线的圆周间隔(说明书附图3中圆弧1、2所对应的圆心角)相等：可取5～10度角，这样每一圆柱表面分别有两条螺旋线、两螺旋线之间的两条圆弧线，将这四条线顺次闭合成为翼型(圆柱表面翼型示意图见说明书附图3，5个截面分布立体图参看说明书附图4)。将5个截面的翼型光滑连接形成一片螺旋叶轮(见说明书附图4)，根据需要可以使用多片叶轮，一般为3～5片，多片叶轮为均匀的圆周分布；
3.2和3给出的是原理型的螺旋式血泵的设计，我们运用原理螺旋式设计方法对于植入式动力性主动脉瓣进行了一个原理型的初步设计，叶片取1片，叶轮直径20毫米，血泵总长49毫米，轮毂直径7毫米，表面曲线1中已经提到，各截面螺旋线螺距取30毫米，螺旋叶轮轴向总长度30毫米，圆周间隔10度角，三维结构图如说明书附图3所示；
4.我们对该原理型螺旋血泵利用Fluent6.0软件做了一些仿真实验，仿真实验的流程可见说明书摘要附图2，三维绘图中血管处理为直径23mm的圆柱，网格划分为可滑移网格，血泵和血管的整体有限元模型见说明书附图6。Fluent6.0设置的初始条件为：转速8000转/分钟，流量5升/分钟，湍流模式(N-ε湍流模式，可以直接在该软件中选择)，血液设置(牛顿粘性流体，粘性系数按正常人体血液粘性系数赋值，可在软件中设置)，计算得到在8000转/分钟，流量为5升/分钟下，血泵沿着轴线的总压分布，见说明书附图1，得到扬程为：42.5*2.54*10/13.6＝79.375毫米汞柱，基本达到生理辅助需求了。说明书附图2为血泵的垂直轴向截面的总压分布示意图，可以看到血泵实现了升压，推动液流沿轴向前进，说明该螺旋式翼型血泵可以应用于生理辅助；
5.对于Fluent6.0软件的介绍：FLUENT6.0由Fluent公司的产品，是专用的有限元流体计算软件，用来模拟从不可压流到中等程度可压流乃至高度可压流范围内的复杂流场，本仿真实验就是利用该软件完成的，设置初始条件然后进行计算，设置的条件见4。Gambit是Fluent自带的前处理装置，用于网格划分，我们使用它将血泵进行三角形的SM滑移网格划分，此项功能可以在Gambit中选择和使用，Gambit使用说明书中有具体说明，具体得到的结果：螺旋式血泵的有限元网格划分见说明书附图5，血泵和血管整体的有限元网格划分见说明书附图6；
6.由于翼型是螺旋式的，因而液流的过渡较为圆滑连续，推动液流沿着螺旋式通道前进，从而减小了剪切力及对血液的破坏作用；本专利给出了螺旋式翼型血泵初步的理论设计，当然对于该血泵还是需要进一步的参数优化：例如选择适当的翼型和复杂的螺旋线，增加叶片数，减小叶片轴向长度等等，这需要进一步的实验和测试来加以改进。
Claims (5)
1.一种螺旋式翼型微型血泵，其特征在于：所述血泵的叶轮直径为20mm，轮毂直径为叶轮直径的35％～55％，轮毂长度为30mm～50mm，所述叶轮是螺旋形且数量为3-5片，所述叶轮的轴向总长度为30mm，所述叶轮的螺距为30mm，所述叶轮的翼型对应于相等的圆心角，所述圆心角取值在5～10度，入流侧轮毂表面曲线的方程为y1＝a1x12，a1＝0.3000～0.4000，出流侧轮毂表面曲线的方程为y2＝a2x22，a2＝1.1000～1.3000，其中，y为轮毂轴向坐标，x为轮毂径向坐标，原点为轮毂表面与轮毂轴线的交点。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋式翼型微型血泵，其特征在于：所述入流侧轮毂表面曲线方程的系数a1＝0.3265。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋式翼型微型血泵，其特征在于：所述出流侧轮毂表面曲线方程的系数a2＝0.2245。
4.根据权利要求1所述的一种螺旋式翼型微型血泵，其特征在于：所述圆心角为10度角。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋式翼型微型血泵，其特征在于：所述的叶轮为3～5片，在轮毂圆柱的外周上均匀分布。
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