流量与叶片出口宽度对离心血泵溶血性能的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1604

摘要/Abstract

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文题释义：

计算流体动力学：是计算机网络技术充分发展的产物，是一种有效的运用计算机模拟流体的流动、传热等相关现象的方法与工具，具有极强的适应性与广泛的运用范围。多半计算流体动力学工具采取控制体积法进行数值仿真，此方式也是目前处理流体流动及传热最有用的数值方式。实验运用计算流体力学方法对离心式人工心脏泵内血液的流动进行仿真模拟，分析血液在血泵内所受的破坏情况，进而讨论如何从离心泵入口流量和叶片出口宽度2个方向优化离心式血泵的溶血性能。

应力：血液在人工心脏泵内的流动是一类湍流强度较低的湍流运动，血细胞受到的切应力包含血液黏性导致的黏性切应力和湍流运动引起的雷诺切应力。当血细胞在泵内所受切应力低于150 Pa时，在时间的积累下，血细胞不会发生溶血现象；当切应力介于150-1 000 Pa之间时，在一定的时间积累下血细胞会发生溶血现象；当切应力高于1 000 Pa时，血细胞会立即发生破裂，产生溶血现象。

背景：溶血现象是人工心脏泵设计与研发历程中的一个重要问题，溶血的产生与血细胞在泵内运动时所受剪切力和在泵内的运动时间有关。

目的：分析离心血泵不同运行参数及不同结构参数与血细胞在泵内所受剪切力之间的关系。

方法：根据速度系数法设计离心血泵的基本结构；分别利用CFturbo、ANSYS ICEM与FLUENT软件建立血泵的三维模型，网格划分与流场模拟，以此研究出最佳的网格划分方法；再根据数值模拟的结果对叶轮出口直径进行修正，最终得到符合人体心脏所需的人工心脏泵。以降低血细胞在心脏泵中所受切应力和运动时间为目的，对离心式人工心脏泵结构参数叶轮入口流量Q(2，3，4，5，6，7 L/min)、运行参数叶片出口宽度b₂(2.0，2.1，2.2，2.3，2.4，2.5 mm)进行优化设计与分析比较，以期降低溶血现象发生的概率。

结果与结论：①随着流量的增加，血细胞在血泵内受到的切应力逐渐增加，运动时间逐渐减少。随着流量的增加，血泵内的标准溶血值逐渐减小，血细胞在血泵内受到的损伤越小；当流量取7 L/min时，血泵内标准溶血值最低；②随着叶片出口宽度的增大，血液在泵内所受的切应力总体呈下降趋势，血液在泵内的运动时间总体呈现增加趋势；当叶片出口宽度在2.0-2.5 mm范围内，随着叶片出口宽度的增加，血泵内的标准溶血值逐渐减小，血细胞在血泵内受到的损伤越小，当叶片出口宽度为2.5 mm左右时血泵内溶血值最低。

ORCID: 0000-0002-6023-4015(胡婉倩)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 心脏移植, 离心血泵, 溶血现象, 运行参数, 结构优化, 速度系数法, 计算流体动力学, 切应力, 标准溶血值, 运动时间

Abstract:

BACKGROUND: Hemolysis is an important problem in the design and development of artificial heart pumps. Hemolysis is associated with the shear force of blood cells in the pump and the movement time in the pump.

OBJECTIVE: To analyze the relationship between the operating parameters of blood pump (flow rate of blood pump), the structure of blood pump (outlet width of blade) and the shear stress of blood cells in artificial heart pump.

METHODS: The basic structure of the centrifugal blood pump was designed according to the velocity coefficient method. The three-dimensional model of the blood pump, mesh division and flow field simulation were established by using CFturbo, ANSYS ICEM and FLUENT software respectively to study the best mesh division method. The results of the numerical simulation corrected the diameter of the impeller outlet to finally obtain an artificial heart pump meeting the needs of the human heart. In order to reduce the shear stress and movement time of blood cells in the heart pump, the optimal design and analysis of the impeller inlet flow rate Q (2, 3, 4, 5, 6, 7 L/min) and the operating parameter blade outlet width b₂ (2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 mm) of the centrifugal artificial heart pump were designed to reduce the probability of hemolysis.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) As the flow rate increased, the shear stress of the blood cells in the blood pump gradually increased, and the movement time gradually decreased. As the flow rate increased, the standard hemolysis value in the blood pump gradually decreased, and the damage to the blood cells in the blood pump alleviated. When the flow rate was 7 L/min, the standard hemolysis value in the blood pump was the lowest. (2) With the increase of blade outlet width, the shear stress of the blood in the pump decreased, and the movement time of the blood in the pump increased. When the blade outlet width was 2.0-2.5 mm, the hemolysis value in the blood pump decreased with the increase of the blade outlet width. When the blade outlet width was about 2.5 mm, the hemolysis value in the blood pump was the lowest.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Heart Transplantation, Hemolysis, Hemodynamics, Tissue Engineering

中图分类号:

胡婉倩，李学敏，徐林，刘继伟，孙皓. 流量与叶片出口宽度对离心血泵溶血性能的影响[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(10): 1581-1587.

Hu Wanqian, Li Xuemin, Xu Lin, Liu Jiwei, Sun Hao. Effects of flow rate and blade outlet width on hemolytic performance of centrifugal blood pump[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(10): 1581-1587.

图/表（结果） 4

泵的扬程、功率、效率等性能参数与泵流量存在着一定的关系。当人工心脏泵的流量发生变化，心脏泵入口流速随之变化，这将影响到血液在泵内的流速、血液流经血泵的运动时间及血液在泵内所受到的切应力，最终影响到泵内血细胞的溶血值。

将在设计流量Q=6 L/min的基础上，增加Q=2，3，4，5，7 L/min 5组算例；在设计出口宽度b₂=2.2 mm的基础上，增加b₂=2.0，2.1，2.3，2.4，2.5 mm 5组算例，以研究流量、叶片出口宽度与血泵内溶血值的关系。

2.1 流量对离心血泵溶血性能的影响

2.1.1 流量对切应力的影响图2A-D表明，当流量为 3 L/min时，血液在叶轮中所受到的最大切应力最小(680.668 Pa)；当流量为5 L/min时，最大切应力出现最大值(710.393 Pa)；当流量为3-7 L/min时，最大切应力在5%的范围内波动。图2E-H表明，在不同的流量下，蜗壳中血液所受到的最大切应力均位于隔舌处和蜗壳外壁面，血液在蜗壳中所受最大切应力明显小于叶片部分；当流量Q= 2 L/min时，蜗壳中血液所受到的最大切应力最大 (401.462 Pa)；当流量Q=5 L/min时，血液于蜗壳处所受到的最大切应力急剧减小。

2.1.2 切应力分布图3表明，随着流量的增大，0-50 Pa范围内的切应力所占比例逐渐减小，同时50-100 Pa、100-150 Pa及150-1 000 Pa范围内的切应力所占比例逐渐增加。当Q=7 L/min时，血液在叶片部分所受切应力在150-1 000 Pa范围内所占百分比最高，达到3.02%；当Q= 3 L/min时，血液在叶片部分所受切应力在150-1 000 Pa范围内所占百分比最低(1.95%)。

2.1.3 标准溶血值分析图4A所示，随着流量的增加，血液在血泵内的运动时间逐渐减少，其中Q=2 L/min时，血液的运动时间最长(0.232 3 s)；Q=7 L/min时，血液的运动时间最短(0.139 9 s)。标准溶血值(NIH)是衡量溶血程度的定量描述^[32]。图4B所示，随着流量的增加，血泵内的标准溶血值逐渐减小，当流量为Q=7 L/min，标准溶血值(NIH)达到最低值(0.03)，此时血泵具有最佳的标准溶血值。

2.2 叶片出口宽度对血泵溶血性能的影响

2.2.1 叶片出口宽度对切应力的影响图5A-D表明，随着叶片出口宽度b₂的改变，高切应力(大于150 Pa)区域所占面积较小且均位于叶片入口与叶片出口工作面处，当叶片出口宽度b₂=2.2 mm时，血液在叶片部分的切应力最大(709.71 Pa)，当叶片出口宽度减小或增大时，血液在叶片部分的最大切应力均急剧下降，当b₂=2.1 mm时，最大切应力最小(525.81 Pa)。图5E-H表明，在不同的叶片出口宽度下，蜗壳中血液所受到的最大切应力均位于蜗壳外壁面，0-150 Pa范围内的切应力所占比例均大于99%；仅当叶片出口宽度b₂=2.5 mm，血液于蜗壳处所受到的最大切应力(277.901 Pa)超过150 Pa，且所占比例仅为0.88%。

2.2.2 切应力分布图6显示，随着出口宽度的增大，0- 50 Pa、50-100 Pa与100-150 Pa区间内的切应力分布百分比基本呈线性变化，当出口宽度b₂从2.0 mm增加到 2.5 mm时，0-50 Pa区间内的切应力百分比增加了35.1%，50-100 Pa区间内切应力百分比减小了44.8%，在100- 150 Pa的区间内切应力百分比减小了68.4%。

2.2.3 标准溶血值分析图7A所示，当叶片出口宽度b₂=2.4 mm时，血液在泵体内的运动时间最长(0.158 3 s)；当叶片出口宽度<2.4 mm时，随着叶片出口宽度的增加，血液在人工心脏泵内的运动时间逐渐增加，其中叶片出口宽度b₂=2.0 mm运动时间最短(0.141 2 s)；当叶片出口宽度>2.4 mm时，血液在泵体内的运动时间开始回落。图7B为叶片出口宽度b₂=2.0 mm到2.5 mm时离心式人工心脏泵内的标准溶血值，可看到随着叶片出口宽度的增加，血泵内的标准溶血值呈现递减趋势；当出口宽度b₂=2.0 mm时，泵内标准溶血值最高为0.034，当叶片出口宽度增加时，标准溶血值迅速减小；当b₂从2.0 mm增加到2.1 mm时，标准溶血值降低了6.9%；增加至2.3 mm时，标准溶血值降低了13.8%；增加到2.5 mm时，标准溶血值降低了14.5%。

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引言

统计数据表明，截止2017年中国心血管病患者约2.9亿，其中冠心病患者1 100万，肺原性心脏病患者500万，心力衰竭患者450万，风湿性心脏病患者250万，先天性心脏病患者200万^[1]，而2015年和2016年中国心脏移植手术数量仅有279例和368例(不包含澳门、台湾、香港等地区的数据)^[2]。治愈严重心血管病最有效的手段是进行心脏移植，但患者与心脏供应者的心脏精确匹配难度大，心脏受体量总是高于心脏供体，因此越来越多的研究者提出人工心脏泵的概念。经过多年的发展，人工心脏泵已发展至第3代^[3-5]。然而，溶血问题一直伴随着血泵的发展，溶血问题对人工心脏泵的实用性起着决定性作用，轻则造成生理紊乱，重则随时夺走患者生命。

为探究人工心脏泵的溶血值及血液在叶轮中所受切应力的影响因素，学者们进行了不同的研究：寿宸等^[6]设计了直线型叶片、偏转直叶片、圆弧叶片、对数螺旋叶片4种人工心脏泵，进行对比分析；王芳群^[7]采用螺旋角为30°、45°、60°的3组流线型叶片进行实验；陈松松^[8]设计了叶片数分别为5，6，7的3种人工心脏泵，研究了血泵溶血值；李卫东等^[9]设置了0-7 mm的8种导流锥高度进行模拟比较，以期降低血栓和溶血指标；Takami等^[10]研究了叶片特定区域表面粗糙度对Seven Gyro C1E3泵溶血效应的影响；Umezu等^[11]研究了血泵中轴向长度较长区域溶血的影响因素；Heck等^[12]运用商业计算流体动力学代码研究了温度、红细胞压积和湍流等因素引起的流体形变对泵关键指标的影响；da Silva等^[13]对一种SP离心血泵进行体外实验，研究其水力性能，并在小猪体内研究其血液动力学特性；Chiu等^[14]运用数值计算的方法对人工心脏泵溶血现象进行了研究；Wernicke等^[15]运用流场可视化方法研究了Baylor/ NASA轴流式人工心脏泵的流场特性；Reich等^[16]根据临床试验研究了经典左心室辅助装置血泵植入人体后所出现的症状；Akamatsu等^[17]研究了转速与入口流量对磁悬浮式人工心脏泵压力及效率的影响；Wu等^[18]通过计算流体力学数值模拟研究了叶片间隙对离心式人工心脏泵溶血特性及血液损伤的影响。然而，在不同的研究中，溶血现象一直都未能得到很好的解决^[19-20]。国内外学者们普遍认为，溶血现象的产生与血细胞在泵内运动时所受的剪切力及血液在泵内的运动时间有关^[21-23]。为减小血液流经泵体时的剪切力，应降低平均流速、增大流体通流面积，但流速的降低将会增加血液在泵体内的运行时间，故剪切力与运行时间是一对矛盾且互相影响的因素。因此文章将重点研究血泵不同运行参数及不同结构参数与血细胞在泵内所受剪切力之间的关系，以期降低溶血现象发生的概率。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计计算机仿真模拟。

1.2 时间及地点实验于2016年9月至2018年5月在华中科技大学能源与动力工程学院动力楼完成。

1.3 实验方法

1.3.1 离心式人工心脏泵的整体设计方案人体健康心脏通常在80-120 mm Hg(1 mm Hg=0.133 kPa)血压下提供2-7 L/min的血流量。心泵结构紧凑，易于加工，以较小的转速便可达到相同的扬程^[24-25]，因此选取离心式血泵进行研究。设计离心式人工心脏泵时，选取血液密度为 1 050 kg/m³，动力黏度为0.003 5 kg/(m•s)，初步选取离心血泵扬程H=100 mm Hg，设计流量Q=6 L/min，转速n= 2 500 r/min。

根据泵的基本设计理论，利用速度系数法计算得到泵的基本结构参数，叶轮进口直径D₁=0.015 5 m，叶轮出口直径D₂=0.385 m，叶片出口宽度b₂=0.002 2 m，叶片数6个。

1.3.2 血泵机加工制作与验证由于速度系数法在计算中选取的各个速度系数取值范围较广，且适用于中大型的泵，而心脏泵是一系列微型泵，故根据速度系数设计得到的泵不一定满足设计要求，因此需要进行验证与修正。

离心血泵计算流体力学数值三维模型绘制：根据离心式人工心脏泵的基本尺寸，运用CFturbo软件，绘制心脏泵叶轮部分和蜗壳部分三维模型。为提高数值计算准确度，在叶轮进口段前端设置长度为叶轮进口直径2倍的入口延长段。

离心血泵尺寸修正：为使泵满足设计要求，分别设置出口直径为38.5，43，48，45，44 mm，对叶轮出口直径进行修正。通过混合网格划分，将网格模型导入Fluent15.0中进行数值模拟，选取SST k-ω模型，该模型增加了改进的湍流黏性方程，该方程考虑了湍流剪切力的效应，SST模型一般能更加准确地模拟反应力梯度引起的分离点和分离区大小^[26]。入口边界条件为：速度入口0.537 m/s；出口边界条件为：出流outflow^[27]。采用动参考系模型计算方法，由数值模拟结果可知，当叶轮出口直径为44 mm时模拟得到的扬程为99.6 mm Hg，与设计扬程相对差最小，满足设计要求。

1.3.3 溶血理论和血泵的溶血实验与分析相关研究表明，血液在人工心脏泵内的流动是一类湍流强度较低的湍流运动^[28]，血细胞受到的切应力包含血液黏性导致的黏性切应力和湍流运动引起的雷诺切应力。

根据相关实验，当泵内血液所受切应力高于1 000 Pa时，细胞会瞬间发生破裂，造成溶血现象；当泵内所受切应力在150-1 000 Pa之间时，在一定的时间积累下细胞会渐渐发生破裂，造成溶血现象；当泵内血液细胞所受切应力低于0-150 Pa时，细胞能够保持良好的生理状态，基本不会发生溶血现象。

1.3.4 网格划分验证建立离心式人工心脏泵模型并进行网格划分，是计算流体力学数值模拟的关键，网格质量的高低直接决定着模拟结果的准确性^[30]。由于叶轮及蜗壳部分几何模型较为复杂，曲率变化较大^[31]，故研究将验证不同网格类型对数值计算结果的影响。

非结构化网格结果：对血泵入口延长段、叶轮及蜗壳部分均采用非结构网格划分法，总体网格个数约289万，其中入口延长段11万、叶轮部分217万、蜗壳部分61万。

混合网格结果：入口延长段及叶轮部分采用结构化网格，入口延长段结构化网格在ANSYS ICEM软件中绘制，网格数量约为6万；叶轮部分结构复杂，选择在ANSYS TurboGrid软件中绘制，网格数量约为19万个；蜗壳部分仍然采用非结构化网格划分，网格数量约为83万；总体网格数为：108万。网格见图1。

运用Fluent15.0进行流场模拟，选取SST k-ω湍流模型，入口边界条件为：速度入口0.537 m/s；出口边界条件为：outflow。其他条件一律相同。计算结果见表1，采用非结构网格与混合网格的误差分别为3.7%与0.4%，可以看出采用混合网格得到的计算结果具有更高的精度。

1.4 主要观察指标各模型的切应力与溶血值。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

讨论

近年来，世界各国心血管病患者逐年增加，中国目前大概有1 000万由于心血管疾病导致心力衰竭的患者。除药物治疗外，心力衰竭常见的治疗方法有心脏移植、全人工心脏、左心室辅助装置等，其中左心室辅助装置在国外已有多年临床研究^[33-35]。由于国内研究起步较晚，国内对左心室辅助装置的研究大多为探索性和短期临床应用研究^[36]。目前国内仅有3例心力衰竭患者植入临时性替换装置。故促进中国心外科治疗心力衰竭技术的发展，抑制乃至治愈心血管病，研究新型血泵，降低血细胞在血泵内受到的切应力与血泵溶血值刻不容缓。

3.1 叶轮流量对血泵溶血性能的影响研究发现当入口流量为8 L/min左右时，血泵溶血值最低^[37-38]，血泵流量越大，血液在泵中所受到的切应力越大^[39]，这与此次研究基本相同。此次研究发现，在2-7 L/min范围内增大流量时，细胞在血泵中受到的切应力变大，而细胞在泵内运动时间逐渐减少；综合考虑计算得到血泵内溶血值随着流量的增大而逐渐降低，而血液在泵内的流动时间减少。当流量取 7 L/min时，血泵内标准溶血值最低，即适当提高血泵流量能有效降低细胞在血泵内所受损伤。在不同流量下，血液叶片上大部分区域内所受到的切应力均低于150 Pa；高切应力(>150 Pa)区域所占面积较小且均位于叶片入口与叶片出口处，这与参考文献[29]的研究结果基本相同。这是因为血液由入口段进入旋转的叶轮后，血液与叶片前盖板发生冲击，而被反弹至叶片入口端，导致叶片入口端的切应力较高。同时，血液受到周向力作用沿叶片流道运动，到达叶片出口端时，速度较大，所受切应力也较大。在不同的流量下，蜗壳中血液所受到的最大切应力均位于隔舌处和蜗壳外壁面^[31]，这是因为这2处泵的几何结构具有较大突变，蜗壳的横截面积较小，故而当血液流至此处，流线发生挤压弯曲而与蜗壳壁面发生碰撞，使得此2处的切应力增加^[40]。

3.2 叶片出口宽度对血泵溶血特性的影响在不同的叶片出口宽度下，0-150 Pa范围的切应力分布百分比总和平均为97.4%，即血液经过叶轮部分时，2.6%的血细胞将不能保持良好的生理状态。随着叶片出口宽度的增大，血液在泵内所受的切应力总体呈下降趋势，血液在泵内的运动时间总体呈现上升趋势。其中的原因可能为：随着叶片出口宽度的增加，血液于叶片出口处的速度降低，此处的雷诺数随之降低，血液流动更趋近于层流。当叶片出口宽度较小，血液于叶片出口处的速度为主导因素，血液在泵内的运动时间增大；当叶片出口宽度较大，雷诺数占主导地位，血液在泵中的运动时间降低，这将在后续的实验研究中予以证明。综合考虑，在设计叶片出口宽度时，应该选择叶片出口宽度为2.5 mm左右，血泵内溶血值最低，细胞在血泵内所受损伤最低。

结论：通过研究不同的运行参数及结构参数与血细胞在血泵内所受剪切力之间的关系，得到如下结论：①随着流量的增加，血细胞在血泵内受到的切应力逐渐增加，而运动时间逐渐减少。随着流量的增加，血泵内的标准溶血值逐渐减小，血细胞在血泵内受到的损伤越小；②在叶片出口宽度为2.0-2.5 mm的范围内，随着叶片出口宽度的增加，血泵内的标准溶血值逐渐减小，血细胞在血泵内受到的损伤越小。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程