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血液机械损伤机理及高速螺旋血泵结构优化研究

云忠

   高速螺旋血泵中由血液机械损伤特别是红细胞机械损伤所引起的溶血问题一直困扰着医务工作者和研究人员,并逐渐成为影响高速螺旋血泵进一步发展并走向临床的最大桎梏。因此,对血泵使用中的血液机械损伤机理进行研究,找出红细胞机械损伤规律,为血泵设计优化提供相应的理论依据和实验参考,具有十分重要的意义。 本文结合所研制的植入式微型螺旋血泵,对高速螺旋血泵中红细胞的撞击损伤、压差破碎、剪切撕裂、湍流破碎等血液机械损伤因素进行了系统分析,在理论、仿真、实验方面做了以下工作: 1.对血液在低剪变率及高剪变率两种不同条件下的环形空间螺旋流动性能进行了研究,推导出速度及流量表达式,分析了不同流态下各参数对血液螺旋流动性能的影响,得出环形空间血液螺旋流动规律,并针对高速螺旋流场中红细胞复杂的力学环境,对红细胞的各种力学性能进行了分析。 2.对红细胞—固壁撞击的一维、二维非线性过程进行了理论分析,给出了相应的波动方程和数值解法。分析了红细胞—固壁边缘撞击峰值压力、侧向射流速度、临界接触角、撞击压力分布等参数随撞击速度的变化规律;并采用球面波理论,对红细胞膜破碎原理及破碎条件进行了分析。 3.采用水力旋流场、薄壁球壳及液滴破碎理论,对高速螺旋流场中红细胞压差破碎、剪切破碎及湍流破碎的破碎机制进行了分析,结果表明:高速螺旋流场中,压力梯度过大时有可能使红细胞发生膨胀,并克服细胞膜的表面张力而破碎;由层流剪切应力引起的剪切破碎并不是造成溶血的主要危险,而红细胞的湍流破碎才是造成血泵溶血的主要原因。 4.针对所设计的植入式螺旋血泵,采用多相悬浮体CFD仿真技术,对血泵中的速度场、压力场、应力场、湍流效应等进行了仿真分析;结合CFD仿真结果,综合运用速度三角形和欧拉功方法,对所设计血泵叶轮进行了优化设计,并进行了CFD对比仿真分析。 5.利用血液流变仪及数码显微光镜,对不同撞击速度下及不同剪变率下的人体血液样本进行了宏观、微观流变实验分析。由实验数据可以看出:红细胞破碎的临界撞击速度约为6m/s;由剪切流场对红细胞带来的损伤比红细胞的撞击损伤更为严重,在高速螺旋血泵设计中应作为溶血的主要考虑因素。……   
[关键词]:螺旋血泵;血液;机械损伤;优化
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中南大学2007年