膀胱动力泵的优化设计及模拟实验研究

• 作 者: 梁超寰
• 机 构: 广东工业大学
• 出 处: 广东工业大学
• 发表日期: 2010年期
• 关键词: 膀胱动力泵 排尿动力 模拟实验 有限元模型 结构优化设计 电磁驱动

当人体控制排尿的中枢神经或周围神经受到损害之后,将导致排尿困难、尿潴留或者尿失禁等临床症状,目前尚无有效治疗手段,为此本课题前期研究提出了一种作为辅助排尿装置的体外电磁驱动的膀胱动力泵。膀胱动力泵的基本原理是利用电磁铁产生的电磁场,对磁动子产生电磁驱动力,驱动磁动子压迫膀胱产生膀胱压,通过调节尿道口和输尿管口的开闭,控制膀胱排尿。　　
课题前期研究表明:膀胱动力泵原理可行；其电磁驱动单元的控制和结构参数对电磁驱动力具有重要影响；初步建立了膀胱压、尿流率的数学模型,由此确立了一些对泵排尿动力特性有重要影响的参数。为了研究这些控制和结构参数对泵的排尿动力特性的影响,了解泵的性能,合理设计泵的结构,有必要对膀胱动力泵进行优化设计及模拟实验研究。　　
本课题将实现的研究目标是:设计出结构合理的膀胱动力泵,为合理设计泵的结构提供依据。　　
围绕上述研究目标,本课题首先根据课题前期的研究成果,确立了电流、气隙、永磁体间隙等对膀胱动力泵排尿动力特性有重要影响的控制和结构参数,依据医学上尿动力学检查的内容和手段,在模拟实验台上对不同参数下的排尿动力特性进行了测试,根据测试的结果,研究了这些参数对排尿动力特性的影响。然后运用ANSYS有限元分析软件,建立了膀胱动力泵的有限元模型,该有限元模型利用电磁-结构耦合分析方法和流体-结构耦合分析方法,建立了电磁驱动力与膀胱压、尿流率之间的关系,利用该有限元模型研究了泵的排尿动力特性。最后利用该有限元模型对部分控制和结构参数进行了优化,根据优化结果重新设计了膀胱动力泵,并测试了其排尿动力特性,研究了优化前与优化后的膀胱动力泵的排尿动力特性。　　
模拟实验研究结果表明,增加电流和永磁体的数量,有利于提高膀胱压、最大尿流率,缩短排尿时间,延长膀胱压持续时间；减少气隙、永磁体间隙有利于提高膀胱压、最大尿流率,缩短排尿时间,延长膀胱压持续时间；合理设置永磁体间隙,可延长膀胱压持续时间,使泵连续工作。有限元分析结果表明,有限元模型的分析结果与模拟实验的分析结果相近,有限元模型能够有效对泵的排尿动力特性进行分析。优化分析结果表明,优化后的膀胱动力泵的膀胱压峰值和最大尿流率均较优化前有了明显的提高,有限元优化分析给出了效果明显的优化结果,泵的结构进一步趋于合理。