撤机对离心血泵血液相容性影响的数值研究_谢楠.pdf

http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0494撤机对离心血泵血液相容性影响的数值研究谢楠1，2，唐雨萌1，2，张岩3，柳阳威1，2，*(1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2.北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室，北京100191；3.中国医学科学院阜外医院，北京100037)摘要：采用非定常数值模拟方法系统评估某离心血泵原型与改型在 4 个撤机阶段的血流动力学特性和血液相容性。对速度、湍动能、叶表压力的分布规律及不同撤机阶段的血液损伤进行研究，并对各监测点的压力脉动进行分析。研究结果表明：在降低心脏泵流量和供压的第 1 阶段（撤机阶段），原型和改型均有较好的血液相容性，满足抗溶血和抗血栓的性能要求，间隙泄漏涡是造成溶血主要的流动特征；随着撤机的进行，间隙泄漏涡强度明显减弱，溶血值呈显著的下降趋势，其脉动幅度也大大降低，改型的溶血值比原型减少 30%以上；各监测点压力频谱呈现典型的离散特征，相较于原型，改型的转静干涉作用更加强烈，对血泵的电磁控制技术提出更高的要求。关键词：离心血泵；撤机；血液相容性；溶血；数值模拟中图分类号：V239；R318文献标志码：A文章编号：1001-5965（2023）07-1680-09根据国家卫生健康委员会预测，中国心血管病患病率仍处于上升阶段，其死亡率居首位，2019 年中国心血管病患者数约 3.3 亿1。心血管病给社会带来的经济负担日渐加重，已成为重大的公共卫生问题。心脏移植是诸多治疗手段中较为有效的方法。但由于自然心脏捐献数量远不能满足病人的需求，因此，开发人工心脏替代自然心脏来维持生命成为主要的治疗手段。人工心脏从最初的第 1 代仿生搏动式人工心脏，到第 2 代有机械支撑轴承的叶片式人工心脏，再到第 3 代无机械轴承的人工心脏，其缺陷逐代得到改进，工作性能更加稳定，血液相容性也显著改善。常用于临床的心脏泵类型主要为离心式和轴流式。轴流血泵轴向长而轴颈小、运转稳定性好、整体体积小因而植入性好，常用于植入式心室辅助系统（ventricularassistdevices，VAD），但加工工艺要求高，并且转速高、不利于控制其抗溶血性能。离心血泵轴颈大而轴向短、整体体积大、相同的血压及流量要求下，离心泵的转速低，常用于 VAD 及体外 膜 肺 氧 合（extracorporealmembraneoxygenation,ECMO），但由于体积较大，导致血细胞在血泵内的暴露时间较长，同样不利于控制其抗溶血性能。ECMO 主要用于等待器官移植或心肺功能严重衰竭的患者提供体外循环，其核心器械为人工肺和人工心脏泵。在新型冠状病毒肺炎疫情期间，医护人员采用 ECMO 成功救治多例肺炎重症患者，临床效果显著2。撤机是指患者采用 ECMO 治疗后，其原发病可能会得到控制，心肺功能逐渐得到改善，逐步撤除ECMO 对心脏和呼吸的支持，使患者自然心脏提供全部血压、恢复完全自主呼吸的过程。王军红和马青变3认为过早撤机可能会导致患者病情恶化，需要紧急心肺支持并再次插管，容易引发心力衰竭甚至死亡；而延长 ECMO 支持同样可能导致不必要的并发症或死亡。因此，在撤机过程中，医收稿日期：2021-08-27；录用日期：2022-01-02；网络出版时间：2022-01-2908：30网络出版地址： J.北京航空航天大学学报，2023，49（7）：1680-1688.XIE N，TANG Y M，ZHANG Y，et al.Numerical study of blood pump weaning effects on hemocompatibility of centrifugal blood pumpJ.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2023，49（7）：1680-1688（in Chinese）.2023年7月北京航空航天大学学报July2023第49卷第7期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.49No.7护人员会系统评估患者的心肺功能、血流动力学等因素，并在撤机过程中采取分阶段降低血泵流量与供压的方法以提高 ECMO的成功率。当前，离心血泵的血液相容性设计，与血泵配套的电机设计及相应控制技术等都是亟需解决的核心问题4。研究血泵的手段主要包括实验研究和数值模拟。实验研究又包括水力学特性测量实验、动物实验及临床实验。但由于血泵部件加工要求较高，动物实验和临床实验周期长，耗资很大。为此国内外大部分研究人员在设计人工心脏时都会采 用 计 算 流 体 力 学（computationalfluiddynamics，CFD）方法来预测血泵内部流动情况5，随后对可改进的部位进行优化，最终设计出血液相容性好的血泵。CFD 方法可以大大降低研发成本，缩短血泵的设计周期。但预测结果高度依赖于网格精度、边界条件、流动模型及溶血预测模型等。Liu 等6-7采用 CFD 充分研究叶轮机械内部的复杂流动，为改型优化提供参考。张岩等8-10对轴流血泵的研制开展了一系列的工作，并通过 CFD 技术优化血泵内部流道结构，消除了流场中危害性较大的流动特征，有效提升了血泵的血液相容性，最终通过实验研究验证了数值模拟的结果。本文基于中国患者的临床使用情况，采用数值模拟方法，研究撤机过程对离心血泵血液相容性的影响，对比原型与改型的性能差异，为血泵的临床应用及进一步优化设计提供指导。1研究对象几何及数值方法1.1离心血泵模型及运行工况本文的离心血泵由模块化泵壳、离心叶轮及内置于离心叶轮基座的永磁体构成，离心叶轮包含4 个主流叶片、4 个分流叶片和离心叶轮基座，分流叶片采取偏置设计，与上游主流叶片距离较小，与下游主流叶片距离较大。前期研究中，为降低叶顶间隙泄漏涡强度并提高血液相容性对离心血泵进行了一些改进，详细几何参数参见文献 11。本文通过三维建模软件 UGNX12.0 对原型和改型进行建模，2 种模型的俯视图及正视图如图 1 所示，原型血泵为了追求较为宽广的工作范围，其流量范围为010L/min12，为保证血泵能够在任意流量条件下提供充足的血压，叶轮最大转速较高。因此，为避免叶轮高速转速时在间隙内引起较大的剪切应力，血泵原型采取大间隙的设计理念。其叶顶间隙为5.0mm，蜗舌无倒圆。国内患者较优的流量工况为3L/min10，原型血泵在国内临床应用时的转速也较低，因而在保证血液相容性的前提下允许适当减小间隙，从而增加叶片做功面积。改型叶顶间隙为1.0mm，蜗舌倒圆为 1.0mm。(b)改型俯视图(d)改型正视图蜗舌主流叶片分流叶片叶顶间隙基座(c)原型正视图(a)原型俯视图图1血泵原型与改型的俯视图及正视图Fig.1Topandfrontviewsofdatumandmodifiedbloodpumps计算域划分为 3 个部分：进口静止域、离心叶轮旋转域和出口静止域，使用 ANSYSMeshing 在上述 3 个计算域中划分四面体网格，在壁面附近划分10 层以上的三棱柱网格以确保能够准确捕捉边界层，近壁面三棱柱网格 y+1。原型及改型采取同样的网格划分设置，并进行网格无关性检验。最终，原型网格数为 8.68106，改型网格数为 8.90106，原型叶轮表面网格如图 2 所示。图2原型叶轮表面网格Fig.2Surfacegridofdatumimpeller文献 13-14 研究了切应变和血液黏性之间的关系，发现当切应变大于 100/s 时，血液流动特性近似为牛顿流体。上述研究结论可以根据文献 15-16的实验结果得到验证。人体血液黏度约为 0.0030.004Pas，本文血液黏度为 0.0035Pas，血液密度为 1050kg/m3。基于国内患者临床应用情况确定原型血泵在不同撤机阶段的运行工况，如表 1 所示，并通过定常计算方法确定改型在相同流量下，达到相同供压所需的转速。撤机阶段处于血泵正常运转工况，随着撤机的进行，血泵的流量和供压均逐步下降，自然心脏的泵血机能逐渐恢复，当撤机进行到阶段时，如果患者的生命体征平稳且第7期谢楠，等：撤机对离心血泵血液相容性影响的数值研究1681心肺功能仍然稳定，则彻底关闭血泵完成撤机，使自然心脏提供全部的血压。表1血泵撤机阶段运行工况Table1Operatingconditionsinbloodpumpweaningstage撤机阶段流量/(Lmin1)供压/Pa原型转速/(rmin1)改型转速/(rmin1)I3.02670732002622II2.51962027502255III2.01489224001971IV1.05728150012371.2数值方法及计算设置k-k-数值模拟通过商用软件 ANSYSFluent19.2 进行。相关研究表明血泵采用层流模型预测到的结果与实验值相差较大17，重整化群（renormalizationgroup,RNG）和 雷 诺 应 力 模 型（Reynolds stressmodel，RSM）的预测结果与实验值误差较小。本文数值模拟采用 RNG湍流模型，在近壁区选用增强壁面处理，并通过解压力耦合方程的半隐式法（semi-implicit method for pressure-linked equations-consistent,SIMPLEC）求解压力-速度耦合方程。非定常计算以定常计算结果作为初始条件，并采用滑移网格方法，叶轮旋转 1 周分为 360 个物理时间步，每个物理时间步设置 50 个虚拟时间步，收敛判据为残差达到 106，非定常计算 8 周以保证计算达到稳定。边界条件选择速度入口，压力出口，不考虑重力影响。1.3溶血预测模型1965 年，Blackshear 等18基于实验结果提出预测血液损伤的幂律表示形式。Giersiepen 等19根据其实验中测定的游离血红蛋白浓度与总血红蛋白浓度的比值，进一步优化了 Blackshear 等18的血液损伤预测模型，提出以下形式：D=HbHb%=3.621052.416t0.785（1）HbHbt式中：为游离血红蛋白浓度；为总血红蛋白浓度，本文取 140g/L；为作用于红细胞的有效剪切应力；为红细胞在血泵内的滞留时间。本文采用的血液损伤预测模型是由 Garon 和Farinas20基于双曲线型运输方程提出的一种快速预测血液损伤的模型。此模型直接从速度场和剪应力场计算标准溶血指数。双曲线型运输方程为(t+V)DI=（2）VDI式中：为速度；为梯度算子；为引入的沿流线积分的线性损伤；为单位时间溶血破坏率：=(3.62107)1/0.7852.416/0.785（3）DI=D1/0.785=(3.62107)1/0.7852.416/0.785t（4）有效剪切应力的计算式21为=12(12)2+(23)2+(31)212（5）123式中：、为作用于红细胞的主应力。血泵计算域产生的平均线性损伤计算式为DI=1QVdV（6）式中：Q 为流量。随后通过指数换算可得血泵溶血值为D=DI0.785（7）将 溶 血 值 转 化 为 标 准 溶 血 指 数（normalizedindexofhemolysis，NIH）：NIH=HbD100（8）2结果和分析2.1水力性能分析采用非定常计算方法对血泵原型与改型在不同撤机阶段进行数值模拟，血泵半叶高截面的速度分布如图 3 所示。原型与改型的叶片尾缘圆周速度随着撤机的进行而逐渐降低，显著降低了红细胞撞击壁面的速度及红细胞受到的剪切应力。但是(a)原型撤机阶段I(b)改型撤机阶段I(c)原型撤机阶段II(d)改型撤机阶段II(e)原型撤机阶段III(f)改型撤机阶段III(g)原型撤机阶段IV (h)改型撤机阶段IV 6.25.24.23.22.21.20.2速度/(ms1)5.04.23.42.61.81.00.2速度/(ms1)5.04.23.42