关于轴流泵剪切力对红细胞切割的影响分析

颜世平 成正辉 李维 代威

湖南惠泰医疗器械有限公司

摘要：随着心脏的跳动，血液不停泵出，流经身体各个部位，维持着身体各个器官的机能，一旦心脏出现问题，泵血功能受损，就容易引发健康问题甚至危及生命。心脏问题中，因泵血功能衰竭而引发的心脏病是人类死亡的一大原因，因此，心室辅助装置的研究和应用就显得尤为有意义。轴流血泵装置作为心室辅助装置之一，是心衰的常规治疗手段之一，本项目从轴流泵的剪切力出发，探讨其对红细胞切割的影响以及优化手段。

关键字：轴流泵；血泵；心室辅助装置

血液破坏是目前影响国产心室辅助装置不能临床应用的主要障碍。将轴流血泵内流场分析对VAD进行血液相容性研究。 结果表明

2. 血泵的压力流量输出可以满足心室辅助的要求；

3. 流场中的最大剪切率出现在叶轮人口的地方，在整个叶轮端面保持了较高的剪切率， 而且随着转速升高，流量增加，剪切率也增大；

4. 在叶轮相对径向流速以较高速度旋转时，在入口附近，流场保持层流状态，接近转子时，出现周向剪切速度，转子和泵壁之间的流场出现了不对称性，中下壁面出现较大波动，在叶轮附近，流场发生剧烈的变化，在靠近轮毂的地方会出现湍流，叶片之间出现较大的分离涡流，在出口导流叶片与叶轮的相接区域，流动出现局部回流，在狭窄的交接区域，出现流动滞止，流体进人导流叶片时，流动方向在此急剧变化会引起流动分离，从而影响了出口流速和流动的稳定性；

5. 叶轮与出口导叶片接触端面压力变化剧烈。

叶轮内部、叶轮与导叶片连接部分、出口导叶片内部流场不稳定容易形成涡流和流动停滞，容易形成血栓；叶轮与出口导叶片连接端面以及叶轮内部剪切力较高，容易产生溶血。

1 轴流泵工作原理

轴流式泵的叶片也是装在血泵旋转轴上，当血泵轴旋转时，血液沿着倾斜的方向抛出(沿螺旋线方向运动)，经过导叶导流后，血液基本上是沿着血泵的轴向运动，故称为轴流式血泵。人工心脏血泵是用来完全代替心脏工作的变速、变容量的小型泵。

按血泵的血囊结构不同，血泵分为两种类型。1)血囊的一部分是由易弯曲的膜组成，其余的部分由硬壳组成，称为膜式泵。2) 血囊的全部由易弯曲的膜组成，称为囊式泵。囊式泵又可以分为3种类型，(l)气动式血泵，靠气体驱动;血泵体积比较大，通常动力源置于体外，有比较粗的管路经过皮肤;(2)液体驱动的电液泵;(3)直流无刷电动机驱动的电动泵。

轴流血泵由叶片、尾导叶、转子、支撑轴、泵筒等组成。尾导叶和泵筒焊接为一体。磁性转子和叶片在磁场驱动下可自由旋转。当泵筒和尾导叶以支架的方式插入到直径相同的管道（如大血管）内后，在外磁场的驱动下，转子便以轴流泵的方式驱动血液向后流动。螺旋形尾导叶可使血液的旋转分量转化为直流分量，以提高泵的效率。

由于血泵高速旋转，红细胞在流场中，会受到一定的剪应力而发生形变。由流体力学的理论可知，固体与液体之间的剪应力要大于同一条件下液体与液体之间的剪应力，因此最大剪应力位于血液与泵体表面直接接触的壁面上。泵体表面约55%面积的剪应力在150Pa以下，剪应力集中的部分主要在支架壁、叶片边缘以及后导叶边缘，最高达到了828Pa。

2内部流场应力分布

现有的研究表明，切应力是造成溶血的本质原因。切应力分为牛顿切应力和雷诺切应力，其中，雷诺切应力是造成的溶血的主要原因。通过分析切应力的分布，可以分析血泵的溶血性能。叶轮表面的切应力中高压区域较小，壁面剪切压主要集中在0-500Pascal 和 500-1000Pascal范围内；压力越高，该区域的面积百分比越小。当切应力高于 1000Pascal 时， 红细胞与叶轮短时间接触也会存在溶血的危险。

3 轴流泵剪切力对红细胞切割的影响

红细胞破损主要与血液所受到的剪应力及受力时间有关。研究表明，当红细胞的剪应力在150～1000Pa之间且受力时间大于1s时，红细胞很可能被破坏。由于血泵的转速较高，血液在泵体高剪应力区域停留的时间虽然比较短，但处在150～1000Pa的剪应力区，只要暴露时间稍有延长，就有可能产生溶血。

心室辅助装置植入人体后与血液接触会差生非生理性流动（回流、流动滞止、高剪切力等），这些会对血液造成破坏，主要包括溶血和凝血。溶血主要指对红细胞的破坏如图 1所示，红细胞受到破坏后会释放血红蛋白，可以通过测量游离的血红蛋白表征红细胞的破坏及溶血。

图-红细胞破坏示意图

高剪切力存在时会造成血小板激活，进而形成凝血，凝血主要发生在转子与前后导叶交接区、前导叶及后导叶部分区域。凝血会阻碍心室辅助装置的运转甚至导致装置失效进而对病人造 生命威胁同时为了阻碍血栓的形成，移植了心室辅助装置的病人不得不服用抗凝药物。因此心室辅助装置要具有较低的溶凝血值，即具有较好的生物相容性，同时能为人体提供动力（要求提供100mmHg的差），对工血泵中血液流动行分析计算血泵的溶凝血值及水力特性是很有必要的。

实验方法研究溶凝血及轴流血泵的水力性需要花费大量的时间和金钱，数值模拟由于其高效、低廉近年来在轴流血泵的研究中获得了大量的应用。溶血与轴流式血泵中的水动力条件有关，包括剪切力、回流等，因此利用数值模拟研究轴流式血泵的溶凝血特性及水力特性是必要的。轴流泵和离心泵均有各自的优缺点，由于相较于离心泵轴流泵的结构较为小巧，故需要更大的转速才能满足人体所需的压力（100mmHg）和流量(5L/min)；轴流泵小巧的结构其更容易植入人体避免对人体造成过多的伤害，尤其对于婴幼儿更需要小巧的轴流泵。

4 轴流泵的技术优化方案

由于药物治疗及外科手术的局限性，供体心脏的不足，促使人工血泵快速发展。轴流式血泵在心脏循环手术中的运用已经较为普遍，在过去的20年间，通过一系列的设计、制造、实验，具有了良好的恢复心肌功能的潜力，国外已经研发了多种轴流式血泵。但还有很多的技术问题需要解决，主要是避免溶血和血栓的产生。

轴流泵旋转产生的剪切应力是破坏血细胞的主要因素，采用实验方法研究叶片的剪切应力，需要极大的资源，而且研究较为困难。随着计算机计算水平的提高和流体力学等学科的融合，计算流体动力学（CFD）得到了飞速发展，逐步成为轴流血泵设计的主要方法。将CFD技术运用在轴流血泵的研发设计中，会使泵体具有优良的性能，设计者通过最简单的途径，达到设计优化的目的。由于轴流血泵的流入流出通道是轴向连系，有利于血液流动和体内植入。但因为转速较高，会破坏血液中大量的红细胞，造成溶血。因此，用CFD技术对轴流血泵模型优化以减少红细胞的破坏，减少流场中的压力，从而达到输送血液的目的。相比于离心式血泵，轴流式血泵更不易出现机械故障，出现血栓的情况也会有所缓解，更重要的是它的体积小巧，结构简单，还可让患者自主调节流量。故轴流式血泵虽然起步晚，但却极具研究价值。

5 结束语

目前，中国的心脏疾病患者人数众多，但是只有极少数人能够进行心脏移植手术，其主要原因是同种心脏供体来源十分困难。因此这种能够辅助心脏泵血，并能长期使用的左心室辅助设备便成为了一种能够替代心脏移植且十分有效的方法。文章主要介绍了国际上几种较为优秀的轴流式血泵的相关背景、结构等知识，希望为潜心研究轴流式血泵等心脏辅助装置的人们带来方便并指明方向。就目前来说，轴流式血泵依然有许多待解决的问题：例如怎么延长整个系统的使用寿命及稳定性、避免血泵的溶血和血栓等问题的方法，还有人提出不应将维持患者的生命作为血泵应用的唯一目的，在保持血泵现有大小的前提下，强化其功能，以满足人类各种活动需求。相信随着人们对血泵越发深入的研究，辅助效果更佳的血泵装置很快就能诞生。

参考文献：

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