陈 恩 俞晓青 综述 丁文祥 审校
(上海第二医科大学 新华医院小儿心胸外科 ,上海 200092)
摘要 轴流泵的研究为当前辅助循环研究领域的热点之一 。本文概述了轴流泵设计的基本原理及实验研究 的方法 ;阐明了良好的工程学设计 ,避免湍流 、成穴 、尾流以及减少红血球破坏是设计追求的目标 。计算机辅助设 计与虚拟原型设计提供了高效的设计手段 。轴流泵具有广阔的临床应用前景 。
关键词 轴流泵 流体力学 辅助循环
The Design of Axial Flo w Pump Chen En Yu Xiaoqing
Ding Wenxiang
( Department of Pediatric Thoracic Cardiovasc S urgery , Xinhua Hospital , The Second Medical University of S hanghai , S hanghai 200092)
Abstract Axial flow pump has been the hot point of the research field of circulatory support . This article has outlined the basic principle of its design and the methodology of its experimental study , and explained that excellent engineer design , avoiding turbulence , cavitation and wake , and reducing the destroy of red blood cells were the goal to get in design process. The compute2r supported design and virtual experiment offered the high efficient tool for the above design. The axial pump has a broad scope in future clinical application.
Key words Axial flow pump
Hydrodynamics
Circulatory support
1977 年后 Yukihiko 等通过系统实验证明如使流 Cordova , CA) 2 ,3 。目 前 新 一 代 轴 流 泵 的 设 计 与 实
量高出博动性血流 20 % ,非博动性血灌注与搏动性 血流灌注在生理效应与临床结果方面不存在任何差 别 。基础研究方面的突破 ,使人们对产生非博动性 血流的转轮泵 ( rotary pump ) 用于长期辅助循环重新 点燃了希望1 。转轮泵作为辅助循环的驱动源有着 博动性辅助心泵无法比拟的优点 : ( 1) 体积小 ,预充 量低 ; (2) 结构简单 、制作方便 ; ( 3) 无需安装人工瓣 膜而减少了血栓形成的机会及血流的创伤 ; (4) 不需 大口径的流入管道植入而减少了对心肌的创伤 ; (5) 无需具有顺应性的容量调正装臵 ; ( 6) 低能耗 ,易控 制 。轴流泵与同属于转轮泵类的离心泵相比预充量 更小 ,流入道与流出道轴向连系更利于环路的合理 配臵 ,及体内植入 。由轴流泵的压流原理所决定必 须有较高的转速 ,由此带来红血球的损伤 。因此良 好的工程学设计 , 尽可能减少湍流 ( Turbulence ) 、成 穴 ( Cavitation) 、尾流 ( Wake) 及红血环球所受剪切力 对提高血泵的机械效率与减少血液损伤至关重要 。 市场已能提供某些轴流泵的产品 ,如臵于心室内的 微型血泵 (Medtronic Hemopump cardiac assist system) ; 可植入的左心辅助泵 (AxiPump Nimbus , Inc , Ranco
验研究十分活跃 ,其最新的目标是用作永久性心室 辅助 ;超低预充心肺转流环路的新设计也是轴流泵 应用的潜在方面4 。本文通过文献复习就轴流泵的
设计原理及实验方法择要作一综述 。
1 基本设计
111 设计原理
轴流血泵与船用螺浆式推进器利用叶轮转动产 生推力而传输液体的基本原理十分接近 ,尽管它们 二者是应用在二个完全不同领域里 ; 对推进器来说 叶片合理设计能保证推进器具备良好性能 。血泵的研究者已经注意到 ,改进船用推进器设计的要点均
可作为轴 流 血 泵 设 计 的 借 鉴 。效 率 ( efficiency) 、空 穴 (cavitation) 、强度 ( strength) 是设计中的基本因素 ,而它们之间存在着相互制约的关系 ,找出这些特性之间最佳的配合及平衡是设计成功的关键5 。
112 基本结构与组件
[ 6 ,7 ]
按装臵臵入的解剖途径分心室内型与心外型 。心室内型分逆臵式和顺臵式 ,逆臵式装臵从主动脉 经主动脉瓣逆流出道方向臵入 ,一般用于中短期辅
助 ;顺臵式经心尖顺流出道臵入 ,一般用于中长期循 环支持 。心外型可用作非搏动型人工心或用作低预 充的心肺转流环路 。以长期植入型轴流泵为例 (Ax2 iPump Nimbus , Inc , Ranco Cordova , CA) 有 如 下 组 件
(1) 泵体/ 马达 :管壳 (tube housing) 、转子 ( rotator) 、定
11000r/ min 时能对抗 2313kPa 的压差 。可供设计参
考 。
关系 ,圆形的叶片比方形的对红血球破坏小 ,增加
叶片数量可能提高流量而不增加转速11 ,叶片倾斜
11512 叶片设计 叶片的设计与血泵功能有很大 的
子 ( stator) 、血流校直器 ( straitner) 、叶轮 ( impeller) 、导 向叶 轮 ( inducer ) , 对 逆 臵 式 短 期 辅 助 血 泵 来 说
(Medtronic Hemopump cardiac assist system) 因 系 软 轴
角度与压流曲线的斜率有关 。Ymazaki 12 的研究证 最好 。Kub
5
明倾斜 30 度的导向叶轮 (guide van) 克服阻力的能力
认 为 从 螺 旋 浆 外 形 设 计 中 得 到 启 发 ,
传动设计泵体与马达分离 ,泵体有二根缆索与控制 台相连 ,其中一根是电源线另一根是输送加压生理 性润滑剂以保证轴承封闭的管道 ; (2) 流入道与流出 道插管 :流入道为医用级滴铸的硅橡胶管 ,流出道是 普通的膨体聚四氟乙烯 ( PTFE) ; (3) 外接控制器 ( 控 制台) / 电源 ,外接控制器有三个基本功能 :1) 提供基 本电源及马达的按需变速的信号 2) 提供冲洗液 3) 显示信息 :电源 、马达速度 、冲洗压 。 113 主要设计参数 血泵的几何形状 、长度 、直径 、重量 、输出量 、压 头 (pressure head) 、转速 、定子 叶 片 数 、叶 轮 叶 片 数 、 径向余隙 、叶轮/ 定子余隙 、叶尖形状 、位臵 (前倾 、后 掠角度) 。 114 材 料
选择坚固耐用组织相容性好的材料 ,如不锈钢 、 钛钢 、高分子材料 、陶磁等 。在原型设计过程中为了 加工方便节省成本经常用黄铜制作试样 ; 为观察流 场情况外壳可用透明材料制 。
115 设计要点
11511 轴承与封闭 为了适应高转速 ,轴承的材料
高曲率叶片能获得良好的压力分布 ,减少空穴形成 , 这观点在微形血泵的设计中尚有待进一步研究 。叶
6
尖与管壳间距 (余隙) 过宽亦能造成溶血加剧。叶 片材料质量与血泵最终功能有密切关系 。高强度而 有弹性的钛 ( titanium) 制成的叶片 结 合 理 想 的 曲 率
能增加扭距减少空穴形成 。
11513 泵转速选择 在同样的效率设计条件下 ,转速愈高带来的血液破坏愈大 。因此比转速 (Ns : spe2 的 。所谓比转速表示在血泵效率最高时的转速关系 的一个重要参数 。
Ns = nQ1/ 2 H3/ 4
cific speed) 概念引入对选择合理泵转速设计是有益
此处 n 是效率最高时的泵转速 ,Q 为此时泵流 量 (m3/ min) , H 代表泵头 (pump head) 。根据计算 ,三 种涡轮泵比转速的工程学范围如表 1 示 。
表 1 不同涡轮泵的比速范围
Ta ble 1 Specif ic speed f or each type of turbo pump
Turbo pump Centrifugal pump Mixed flow pump Axial flow pump Specific speed 1002700 40021400 100022500
要选择耐磨材料如高级合金钢或蓝宝石 ( Saphire) 、
锆英石 、陶磁等 ;经常选用的轴承类型为动力压沟型
(Dynamic pressure groove) 、锥型 ( Pivot ) 、轴颈型 (Jour2 nal) 。马达传动杆的密封 ( seal ) 是转子血泵设计的
如 为 左 心 辅 助 , 设 计 流 量 为 5L/ min 压 头 为
100mmHg 的 离 心 泵 , 转 速 应 在 20000230000r/ min 之
间 。六井11 的研究证明微型血泵在较低的转速范
关键技术之一 。根据设计上的差别可有不同的密封 方式 ,加压生理液冲洗系统是用于轴流血泵轴承和 血封的润滑和降温 ; 心室内轴流泵可用微型唇状密 封来封闭转动杆 ,需要持续灌流以避免血液向液膜 弥散及 发 热 引 起 血 浆 蛋 白 变 性 凝 集8 。在 Baylor/ NASA 心室 辅 助 装 臵 叶 轮 悬 挂 在 前 后 的 锥 形 轴 承 上 ,浸入血液内称浸血式轴承 ( blood immersed) ,血流 从马达的定子与转子间通过 ,无须密封9 。上述密 封技术有各自的优点但又有各自的弊病如需用冲洗 系统 、血 栓 形 成 、溶 血 。Mitamura 等10 在 磁 悬 式 离 心泵的启发下 ,将液磁密封技术 ( Ferrofluidic Seal) 引 围内轴流泵的工程效率并不低于高转速时的效率 ,
而此时溶血状况明显好于高转速的血泵 。它的实验 证明微型血泵的比速可以低于通常工程学范围的转 速 ;效率与溶血之间不存在正比关系 。提示了设计 一种减低转速以减少溶血而又不降低泵效率轴流泵 的可能性 。
2 计算机辅助设计
使用实验性流体显示技术评估血流特性不足以 解决所有流场存在的复杂问题 ,如转子与定子间次 流的发生 。而且它 们 仅 能 在 激 光 纸 上 呈 现 二 维 图 数字模型可用计算机辅助设计软件 ( CAD) 来建立 ; 在计算机流体力学软件 ( CFD) 的帮助下 , 可以完整 模拟泵内流场 , 并 在 相 关 的 生 理 条 件 下 予 以 分 析 。 用代数式来表示支配流体运动的质量 、动能及能量 守恒方程 。它们被看作为流域界义的物理条件 。这 些方程在每个单元里求数字解 。根据分析结果 ,将 设计修改补充到数字原型设计中去 。上述改动对泵 流体动 力 学 的 作 用 能 进 一 步 在 CFD 模 型 上 研 究 。 按照这方法 , 用网 格 将 流 区 分 成 小 的 计 算 机 单 元 。 这样参数分析能在多元设计上进行 ,以此评估各自 的价值 。这称作为虚拟原型设计13 。
31113 流体力学功能试验 在模拟循环系统内进
行压流特性试验在不同的压头下 ,用流量计测定当态 。在非搏动性模 拟 时 压 头 与 流 量 存 在 负 线 性 关
时的流量 。测试系统可以模拟搏动与非搏动二种状
系 ;在搏动性模拟时压头呈周期性变化 ,压流曲线呈逆时计走向的闭合环 。压流曲线能客观反映轴流泵
克服压头的能力 ,是泵的基本特性 ,也是比较二种泵设计的主要参数17 。 312 活体研究
31211 临床目标与监察指标 外科技术 :活体实验
3 实验研究
311 离 体( In Vitro)
31111 血液创伤 模拟环路溶血试验是最常用实 解决泵体植入的进路 ,解剖的相邻关系 ,插管位臵 ,
避免相邻脏器受压磨擦等问题 ,模拟临床环境为最定 ,血流动力学 、血液生化与血液学指标正常 ,组织 病理检查无水肿坏死缺血 ; 栓塞病 : 凝血时间 、血板计数 、血小板沉积 ,栓子形成 ; 缺血坏死 ; 溶血病 : 游离血色素 Haptoglobin LDH ; 血液流变学 : 粘滞度 、红
终临床的应用建 立 方 法 ; 器 官 灌 注 : 血 流 动 力 学 稳
验方法 ,不仅可用来检测某设计原型对红血球破坏
程度 ,并可以此来筛选最优的设计 。为了使实验结 果具有可比性 ,一般规定环路由 3/ 8 管道组成储血 袋 容 量 为 500 ml , 模 拟 压 头 ( head pressure ) 为
14
100 mmHg ,输出量为 5L/ min。 溶血程度用标准溶血指数 (NIH) (Normalized in2 dex of hemolysis) 来表示 。
N IH ( mg/ 100 L ) =
细胞沉降 、红细胞变形 ;感染 :血培养 、组织涂片18 。
31212 急性研究 ( < 6 小时) 通过急性研究解决血 流动学与泵转速间的调节关系 ,及泵与插管的安臵 ; 在单心辅助与双心辅助时泵的构形及相应插管口径 大小等问题 。
31213 短期研究 ( < 7 天) 一般为长期活体研究作
100 - Ht ) V △Hb( X X △T 100 F
此处 △Hb 为采样时间内 ( △T) 每 100 升血内血 浆游 离 血 色 素 的 增 加 克 数 ( g/ 100L ) , V 为 总 血 量
(L) ,F 为泵流率 (L/ min) ,V 为循环血量 。表示红血 球致死性损伤程度的另一个指标是红血球完全破坏 时间 ( T. D. T) 。T. D. T 用产生游离血色素占总血红 蛋白 50 %所 需 要 的 时 间 来 表 示 。同 时 在 泵 转 动 1 min 及完全破时间前 2 h 进行新月红血球计数15 。
31112 流线显示试验 (flow visualization tests)
准备 ,目的是了解泵系统的功能与生物相容性特征 , 提出设计改进的必要 。短期研究同时可以了解在无搏动血流或搏动减少情况下的生理反应 。通常实验
方案是为临床危重病监护及长期辅助装臵运作与处理而进行的 。系统评价的标准是 :1) 植入方便 ,2) 器官灌注良好 ,3) 无血栓 ,4) 溶血少 ,5) 无血液流变学
改变 ,6) 无感染 。
31214 中长期植入研究 目的是发展一种代替搏 动过渡性心室辅 助 。动 物 模 型 可 用 牛 羊 等 哺 乳 动
流线 性心室辅助系统 (VASs) 来进行较长时期的移 植 前
显示是在透明的有机玻璃 ( PMMA) 循环模拟装臵内 进行 ,装臵附有搏动性心室辅助装臵来演示左室特 性 。流量 、顺应性 、阻力均可调节 ,甘油2水混合物代 替血液 ,粘度控制在 316 到 4 之间 。流线显示是用 来细致观察泵与流入管道内流场形态的技术 。以激 光示踪技术为基础的荧光影像示踪测速法 ( FITV) 用 μm 直径的中性悬 浮 荧 光 颗 粒 。 来跟踪在流场内 30
用一束氩激光脉冲来照射已布粒的流场 ,同步进行 摄像经计算机图像处理 ,获得一帧帧颗粒位臵图像 。 通过对图像内不理想流线形态的分析找出不合理设 计的部位 。如叶片形态 、间距不合适 ,再循环 、分割
物 。辅助时间在一个月以上 ,对辅助系统质量有更
高的要求 。以 J arvic 2000 VAS19 为例 ,装臵小巧 ,以
钛合金为基本材料采用浸血式陶磁轴承支持转子 ; 永磁无刷直流电机带动轴流叶轮 ,基本结构如表 1 。装臵可在非心肺转流条件下剖胸臵入 ,平均植入时
间为 107 d ,最长时间达 162 d 而未对心内结构造成 损害并能保持体循环的搏动波形 ,实验期间用踏车 试验来评估装臵在休息与运动进行时的功能状况 。实验 期 间 尚 须 口 服 抗 凝 剂 ( Warfarin , dipyridamole ,
生化检测显示尿 素 氮 在 正 常 范 围 , 溶 血 程 度 甚 轻 。
aspirin) 。泵转速维持在 10000 r/ min 时 ,连续记录动
脉脉压与电流相关良好 。将来电池改成可反复充电 的多聚体锂离子电池 ,微形化的控制装臵密封在钛 盒内 ;简单的反馈系统将能按需改变心输出量 ;通过
遥测技术微型计算机可以输出 信 号 改 变 装 臵 的 参 数 。建立多个原型设计所获资料基础上才能改进血
泵与生理控制系统的设计 。
313 轴流泵自动流量控制研究
manent rotary blood pump ? Yes , we can. Artificial Organ , 1996 ;20 (6) ∶467 2
Wampler RK , Franzier OH , Lansing Am et al . Treatment of cardiogenic shock with the hemopump left ventricular assist device . Ann Thorac Surg ,1991 ;52∶506 3 4
Butler KC , Maher TR , Borovetz HS et al . Development of an axial flow blood pump LVAS. ASSAIO Journal , 1992 ;38∶M296
Reddy VM , Liddicoat J R , klein J R et al . Fetal cardiac bypass using an in line axial flow pump to minimize extracorporeal surface and avoid priming volume . Ann Thorac Surg ,1996 ;62∶393 5 6
Kobo H. Marine propellers : the latest topics. Artificial Organ , 1996 ;20 (2) ∶109
Kawahito K , Damm G , Benkowski R et al . Ex vivo phase 1 evaluation of the DeBakey/ NASA axial flow ventricular assist device . Artificial Organ , 7
1996 ;20 (1) ∶47 Damm G , Mizuguchi K , Aber G et al . Axial flow ventricular assist de2 44 8 Kaplon RJ , Oz MC , Kwiatkowski PA et al . Miniature axial flow pump for ventricular assistance in children and small adults. J Thorac Cardio2 vasc Surg , 1996 ;111∶13 9
Mizuguchi K , Damm GA , Bozeman RJ et al . Development of the Baylor/ NASA axial flow venricular assist device : in vivo performance and sys2 tematic hemolysis test results. Artificial Organ , 1994 ;18 (1) ∶32 10 11
Mitamura Y , Fujiyoshi M , Yoshida T et al . A ferrofluidic seal specially designed for rotary blood pumps. Artifical Organ , 1996 ;20 (6) ∶497 Anai H , Wakisaka Y , Nakatani T et al . Relationship between pump speed design and hemolysis in an axial flow blood pump . Artificial Or2 gan , 1996 ;20 (6) ∶564 12
Ymazaki K , Umezu M , Koyanaki H et al . A miniature intraventricular axial flow blood pump that is introduced through left ventricular apex. 13
ASAIO , 1992 ;38∶M679
Sukumar R , Athavake MM , Makhijani VB et al . Application of compu2 tational fluid dynamics techniques to blood pumps. Artificial Organ , 1996 ;20 (6) ∶529 14 15
Kerrigan J P , Shaffer FD , Maher TR et al . Fluorescent image tracking velocimetry of the Nimbus Axipump . ASAIO Journal 1993 ;39∶M639 Shimono T , Makinochi K , Nose′Y. Total erythrocyte destruction time : the new index for the hemolytic performance of rotary blood pumps. Ar2 tificial Organ , 1995 ;19 (7) ∶571 16
Macris MP , Parnis SM , Frazier OH et al . Development of an im2 plantable ventricular assist system. Ann Thorac Surg , 1997 ;63∶367 17 Sess T , Meyns B , Spielvogel et al . Hemodynamic system analysis of in2
traarterial microaxial pumps in vitro and in vivo . Artificial Organ , 18
维持适当的流量和前负荷可避免肺损伤 。转轮
泵与容积型的滚压泵不同在于 ,在相同转速的条件 下 ,压力与流量呈负线性关系 。如无敏感的流量反 馈很难控制流量的恒定 。而且可采用的参数甚少 。 在轴流泵工作时 ,电流是唯一可通过非创伤途径取 得的参数 ,而转速是唯一可控制的参数 。由于泵速 对于前负荷 、后负荷改变不敏感 ,转速过高即出现左 房蹋陷 ,如转速过低即出现向左心的返流 。目前研 究者利用动物模型致力于马达转速与电流间的关系 及避免左房完全排空蹋陷的研究 。实验研究的目的 是获得以马达电变化为基础的近似控制算法 。由于 搏动血流的压流曲线可描出但变化存在滞后 ,第二 代控制器研制的关键是二次谐波的检出 ,包括利用
20
匹配滤波器去分析波型特征。
vice : System performance considerations. Artificial Organ , 1994 ;18 (1) ∶
4 临床应用前景
小型化 、低预充 、便携式 、床边化 、急症化心肺旁 路 ;短时心室辅助 、永久性心室辅助 (人工心脏) 。
表 2 Jarvic 2000 VAS 的结构
Ta ble 2 Components of the Jarvic 2000 ventricular assist device
Component Blood pump
Two internal electrics
and battery modules , cables and TET coils Two external electrics and battery modules
Weight Volume (g) (cm3)
90 300
25 75
Manual
182w/ h 22to 3h capacity ;
20002cycle life
182w/ h battery , 22to 32h capacity ;20002cycle life 1042w/ h battery , 102 to 162h capacity ; 20002 cycle life
629w input power ;vibration free
1 ,100 450
1996 ;20 (6) ∶650 Antaki J F , Butler KC , Kormos RL et al . In vivo evaluation of the Nim2 Journal , 1993 ;39∶M231
Total system 1 ,400 550
bus axial flow ventricular assist system criteria and methods. ASAIO 19 20
Macris MP , Parnis SM , Frazier OH et al . Development of an im2 plantable ventricular assist system. Ann Thorac Surg , 1997 ;63∶367 Konish H , Antaki J F , Amin DV et al . Controller for an axial flow blood pump . Artificial Organ , 1996 ;20 (6) ∶618
( 收稿 :1999204207)
TET = transcutaneous energy transfer
参 考 文 献
1 Nose’Y , Kawahito K , Nakazawa T. Can we develop a nonpulsatile per2
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