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溶血是指红细胞膜破裂,导致红细胞内的血红蛋白游离到血浆中；流场中大于150Pa的紊流切应力且作用时间超过1秒就会造成红细胞膜的破裂。江苏大学生物医学工程研究所创建的血泵叶轮流线型设计方法,理论上可消除叶轮内的紊流,并在离心式叶轮泵应用后取得成功,溶血指标为0.015,远小于允许值0.1,但在轴流式血泵应用却遇到困难,溶血指标达到或超过允许值。
为降低轴流式血泵的溶血,在初始轴流式叶轮基础上本文设计了四组改进型轴流式叶轮以及开式、闭式两种叶轮安装结构。初始轴流式叶轮是在流线型方法的基础上作出的改进设计,外径为10mm,长度为10mm,其叶片角从进口15°均匀增加至出口60°；叶轮(A)是按初始叶轮设计的,外径增大为13mm和15mm的一组叶轮；叶轮(B)是在叶轮(A)的基础上将叶轮长度从10mm.加长至20mm的一组叶轮；叶轮(C)是完全按流线型方法设计的,叶轮全长为10mm,叶片角分别为60°、45°和30°的一组等角螺旋线叶轮；叶轮(D)为利用传统轴流式叶轮方法设计的外径为14mm的叶轮。血泵的溶血实验结果显示轴流型闭式叶轮血泵的溶血指标最低值为0.06,而轴流型开式叶轮血泵的溶血指标最低的甚至只有0.03,低于溶血允许值0.1。具体做法和详细结果是:
1、首先应用CFD技术针对应用流线型方法改进设计的初始轴流型闭式叶轮血泵进行了水力性能模拟以及CFD内流场的可视化分析,发现工况(Q:4L／min,H:100mmHg)下初始轴流型闭式叶轮进口处液体撞击入流几率大,压力梯度较大,叶轮壁面最大剪切应力为233Pa,大于临界值150Pa,这些均可能导致较大的溶血。
2、优化设计叶轮(A),叶轮(B),叶轮(C)和叶轮(D)四组叶轮,并在相同的工况(Q:4L／min,H:100mmHg)下对所有血泵进行CFD仿真分析,得到的主要结论有:
(1)加长叶轮(A)的叶片长度为叶轮(B)后,不同直径(13mm和15mm)的闭式叶轮(A)壁面切应力最大值分别下降59Pa和43Pa；叶轮(A)的安装结构从闭式变为开式后,不同直径(13mm和15mm)的闭式叶轮(A)壁面切应力最大值分别下降66Pa和148Pa,下降幅度更大,说明叶轮安装的结构比叶轮叶片的设计对切应力的影响更大。
(2)叶片角为30°的等角螺旋线闭式叶轮(C)壁面切应力最大值,进口处最大速度,压力梯度均明显小于其他角度的叶轮(C),因而叶片角为30°的闭式叶轮血泵的溶血可能较小。
(3)轴流式闭式叶轮(D)的叶轮进口处速度比其他叶轮大,血细胞撞击入流几率大,易发生破裂,叶轮壁面切应力最大值为248Pa,溶血较易发生,利用传统方法设计血泵的叶轮并不是理想的选择。
3、应用体外模拟循环装置对改进后的轴流式叶轮血泵进行了水力实验,水力实验得到的血泵H-Q特性曲线与模拟得到的曲线基本趋势一致。
4、应用体外模拟循环装置对改进后的轴流式叶轮血泵进行溶血实验,实验结果表明:
(1)叶轮(A)的叶片长度加长至叶轮(B)后,安装不同直径(13mm和15mm)叶轮(A)的轴流型闭式血泵的溶血指标从0.12和0.11,分别下降至0.06和0.08；而将叶轮(A)的安装结构从闭式变为开式后,血泵的溶血指标变为0.05和0.03,下降幅度更大。说明叶片长度对血泵溶血有影响,而叶轮安装的结构对血泵溶血的影响更大。
(2)安装叶轮(C)的三个闭式血泵的溶血指标随着叶轮叶片角从60°、45°减小到30°时依次是0.08,0.08和0.06,叶片角对溶血有影响；而安装不同叶片角叶轮(C)的开式血泵的溶血指标均为0.04左右,叶轮安装的结构比叶轮叶片的设计对血泵溶血的影响更大。
(3)安装叶轮(D)的闭式血泵的溶血指标最高,传统方法设计血泵叶轮并不理想。
本文为最终设计应用于离体和在体试验的微型轴流血泵,提供了依据。