（机械电子工程专业论文）外磁力振动对植入式轴流血泵流场的影响研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： i 妇l 玺日期：二垃年上月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：正蹲导师签名- 二递日期：迹年月卫日 摘要 溶血性能是血泵性能研究的重要方面，采用c f d 技术对血泵流场 进行仿真分析，利用得到的流场参数可以对血泵的溶血指数进行预 估。但国内外学者对流场进行研究时，大多假设血泵处在固定静止的 环境中，没有考虑到血泵的植入环境、高转速、受驱动力不均匀等因 素引起的血泵振动问题。 本文以在弹性植入环境中外磁驱动的植入式轴流血泵为研究对 象，对血泵的永磁体转子受不平衡的电磁场驱动力形成的振动进行了 研究，并根据振动状态研究了振动对血泵流场的影响和对单个红细胞 变形和受力的影响，结合这些影响分析了振动对血泵溶血的影响。 本文主要研究内容及结论有： 1 基于电磁学、机械系统动力学等学科知识，计算了血泵永磁体 转子在工作时受驱动磁场的作用力，并用仿真验证了作用力计算的正 确性；建立了血泵弹性植入环境的模型，结合血泵受到的驱动磁力， 构建了血泵在弹性植入环境中受驱动磁力振动的动力学系统；利用 s i m u l i n k 对系统进行了搭建和求解计算，研究了血泵在各转速下的 振动特性。 2 利用f l u e n t 对血泵流场受振动影响进行了仿真分析，通过改 变振动速度振幅和频率，观察相应的流场中速度矢量、红细胞容积率 分布、壁面剪切应力云图，得到了振动速度振幅和频率与这些流场参 数的关系，继而分析了振幅和频率对血泵溶血的影响。 3 对在振动边界流场中的单个红细胞进行了建模，并利用 f l u e n t 进行了仿真计算，得到了红细胞在振动流场中的变形过程、 受力状态和流场状态，根据这三个因素分析了振动流场对血泵中红细 胞损伤的影响。 4 对血泵的弹性植入环境进行了实验模拟，搭建了测量血泵在弹 性环境中受驱动磁力振动的实验系统；采集了在不同血泵转速、模型 弹性系数情况下，血泵振动加速度分量数据；将数据进行分析与处理， 与求解得到的理论值进行比较，验证了血泵振动理论研究的正确性。 关键词植入式，血泵，外磁力振动，流场，溶血 i 本研究得到国家自然科学基金( 编号：5 0 8 7 5 2 6 6 ，5 1 0 7 5 4 0 3 ) 资助。 a b s t r a c t t h eh e m o l y s i si sa ni m p o r t a n ta s p e c ti nt h es t u d yo fb l o o dp u m p r e s e a r c h e r sc a nu s ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c st os i m u l a t et h ef l o w f i e l d so fb l o o dp u m p ，t og e tt h ep a r a m e t e r so ff l o wf i e l d s b ya n a l y z i n g t h ep a r a m e t e r s ，t h eh e m o l y s i si n d e xo fb l o o dp u m pc a nb ee s t i m a t e do na c o m p u t e r b u tw h e ns i m u l a t i n gt h ef l o wf i e l d so fb l o o dp u m p ，m o s to f t h er e s e a r c h e r ss u p p o s e dt h eb l o o dp u m p sw e r ef i x e d ，d i d n tc o n s i d e rt h e v i b r a t i o nc a u s e db yt h e i m p l a n t e de n v i r o n m e n t ，h i g hr o t a t es p e e d ， d i s e q u i l i b r i u md r i v i n gf o r c ea n do t h e rf a c t o r so f b l o o dp u m p i nt h i sp a p e r , t h eb l o o dp u m ps t u d i e dw a sa x i a lf l o w , i m p l a n t a b l e ， d r i v e nb ye x t e r n a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l d b a s e do nt h eb l o o dp u m pi n e l a s t i ci m p l a n t e de n v i r o n m e n t ，t h er e s e a r c ho nv i b r a t i o no fb l o o dp u m p c a u s e db yu n e v e ne l e c t r o m a g n e t i cd r i v i n gf o r c ew a sc a r r i e do u t t h e n ， t h e i m p a c to fv i b r a t i o n o nt h ef l o wf i e l d so fb l o o dp u m pa n dt h e d e f o r m a t i o n ，s t r e s ss t a t eo ft h er e db l o o dc e l lw a ss t u d i e d f i n a l l y , t h e i m p a c to fv i b r a t i o no nt h eh e m o l y s i so fb l o o dp u m pw a sa n a l y z e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r es h o w na sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i c s ，m e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i c sa n d o t h e r k n o w l e d g e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i c f o r c eo ft h eb l o o d p u m p s p e r m a n e n t m a g n e tr o t o ri n d r i v e ne l e c t r o m a g n e tf i e l dw a sc a l c u l a t e d ， w h i c hi sv e r i f i e db yt h em e a n so fs i m u l a t i o n t h em o d e lo fb l o o dp u m p s e l a s t i ci m p l a n t e de n v i r o n m e n tw a sb u i l d c o m b i n i n gw i t ht h ef o r c eo f r o t o lt h ed y n a m i cs y s t e mo fb l o o dp u m p sv i b r a t i o nw a se s t a b l i s h e d t h r o u g hb u i l d i n gt h es y s t e ma n ds o l v i n gt h es y s t e me q u a t i o ni ns i m u l i n k ， t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb l o o dp u m pi nd i f f e r e n tr o t a t es p e e di s s t u d i e d 2 b yu s i n gt h ef l u e n t , t h e v i b r a t i o ni m p a c to nt h ef l o wf i e l d so f b l o o dp u m pw a ss i m u l a t e d b yc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so fv i b r a t i o n v e l o c i t y ( a m p l i t u d ea n d t h e f r e q u e n c y ) ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p a r a m e t e r so fv i b r a t i o nv e l o c i t ya n dp a r a m e t e r so ff l o wf i e l d s ( v e l o c i t y m a g n i t u d e ，v o l u m ef r a c t i o no fp h a s e sa n dw a l ls h e a rs t r e s s ) w a so b s e r v e d a n da n a l y z e d t h e nt h ei n f l u e n c eo fv i b r a t i o no nt h eh e m o l y s i so fb l o o d p u m p w a sa n a l y z e d 3 t h em o d e lo fs i n g l er e db l o o dc e l li nv i b r a t e df l o wf i e l dw a sb u i l t t h es i m u l a t i o no ft h ef l o wf i e l d sw a sc a r r i e do u tb yu s i n gf l u e n t a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so ff l o wf i e l d s ，t h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s s s t a t eo fr e db l o o dc e l l ，t h ed a m a g eo fr e db l o o dc e l li nv i b r a t e df l o w f i e l d ss t u d yw a ss t u d i e d 4 t h ee l a s t i ci m p l a n t e de n v i r o n m e n to ft h eb l o o dp u m pw a s s i m u l a t e d e x p e r i m e n t a l l y 1 1 1 ee x p e r i m e n ts y s t e m o fm e a s u r i n gt h e v i b r a t i o no fb l o o dp u m pi ns i m u l a t e de n v i r o n m e n tw a se s t a b l i s h e d b y u s i n gt h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，t h ed a t ao fa c c e l e r a t i o nc o m p o n e n t si n d i f f e r e n tr o t a t es p e e da n dt h ep a r a m e t e ro ft h es i m u l a t e dm o d e lw e r e c o l l e c t e d p r o c e s s i n gt h ec o l l e c t e dd a t a ，a n dc o m p a r i n gt h e mw i t ht h e t h e o r e t i c a l l ys o l v e dd a t a ，t h et h e o r e t i c a ls t u d yw a sv e r i f l e d k e yw o r d si m p l a n t a b l e ，b l o o dp u m p ，f l o wf i e l d ，e x t e r n a lm a g n e t i c f o r c ev i b r a t i o n ，h e m o l y s i s 目录 摘要i a b s t i u c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 课题来源及研究背景l 1 2 大间隙外磁驱动技术在血泵中应用的研究进展1 1 3 植入式血泵植入环境研究进展3 1 3 1 主动脉血管力学性能研究进展4 1 3 2 心脏力学性能研究进展5 1 4 人体振动模型和受振动影响研究进展6 1 5 计算流体动力学在血泵流场研究中的应用7 1 6 论文研究目的及研究内容8 1 6 1 研究目的8 1 6 2 研究内容9 第二章血泵转子受大间隙驱动磁力计算与仿真1 l 2 1 主、从动磁极耦合模型建立1 1 2 1 1 微型植入式轴流血泵结构1 1 2 。1 。2 大间隙外磁驱动原理1 1 2 1 3 主、从动磁极耦合模型建立12 2 2 主动磁极空间磁场强度理论计算1 2 2 2 1 单匝通电矩形线圈空间磁场强度理论计算1 2 2 2 2 系统空间磁场强度理论计算1 4 2 3 从动磁极受电磁力理论计算15 2 3 1 永磁体在磁场中受力公式推导15 2 3 2 从动磁极受电磁力理论计算l6 2 4 主、从动磁极耦合仿真及分析17 2 4 1a n s y s 软件对电磁场研究方法1 7 2 4 2 主、从动磁极耦合仿真18 2 4 3 仿真结果与理论计算结果分析比较1 9 i v 2 5 本章小结2 l 第三章弹性植入环境中血泵泵体受磁力振动分析2 2 3 1 血泵泵体受磁力振动模型建立2 2 3 1 1 血泵弹性植入环境及模型建立点2 2 3 1 2 弹性植入环境模型参数确定2 3 3 2 振动方程的建立与解析2 5 3 2 1 振动方程的建立2 5 3 2 2 系统固有频率求解2 6 3 2 3 振动方程解析计算2 7 3 3 振动特性分析2 7 3 3 1 振动系统的建模及分析理论基础2 7 3 3 2 振动响应及分析2 9 3 4 本章小结3 4 第四章振动对血泵流场影响仿真分析3 6 4 1 仿真模型建立3 6 4 2 振动对流场影响的仿真3 7 4 2 1 求解模型选择3 7 4 2 2 求解模型介绍3 7 4 2 3 仿真参数设置3 9 4 3 后处理及分析4 l 4 3 1 计算收敛情况4 1 4 3 2 计算结果及分析4 2 4 3 3 振动速度参数对血泵溶血的影响4 6 4 4 本章小结4 7 第五章红细胞在振动流场中行为研究4 8 5 1 红细胞模型的建立4 8 5 1 1 红细胞基本结构4 8 5 1 2 红细胞模型建立4 9 5 2 振动流场中红细胞行为仿真及分析5 0 5 2 1 仿真模型建立5 0 5 2 2 计算模型选取51 5 2 3 仿真参数设置5 3 5 2 4 后处理及分析5 4 v 5 3 振动流场对红细胞损伤的影响5 8 5 3 1 红细胞几何形状对损伤的影响5 8 5 3 2 红细胞受力状态对红细胞损伤的影响5 9 5 3 3 流场状态对损伤的影响5 9 5 4 本章小结6 0 第六章弹性模拟植入环境中血泵振动测试实验6 1 6 1 实验系统搭建6 l 6 1 1 实验目的6 1 6 1 2 弹性植入环境模拟6 1 6 1 3 实验装置6 2 6 2 实验步骤6 3 6 2 1 实验系统参数6 3 6 2 3 血泵振动加速度数据采集6 4 6 3 实验数据处理与分析6 4 6 4 实验与理论结果对比分析6 7 6 5 本章小结6 8 第七章全文总结与工作展望7 0 7 1 全文总结7 0 7 2 研究工作展望71 参考文献7 2 致谢7 7 攻读硕士学位期间主要研究成果7 8 v i 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源及研究背景 第一章绪论 本课题来源于国家自然科学基金项目“基于血液机械损伤多因素耦合机理的 高速螺旋血泵结构优化研究”( 项目批准号：5 0 8 7 5 2 6 6 ) 和国家自然科学基金项 目“大间隙磁齿轮传动系统关键理论研究及应用”( 项目批准号：5 1 0 7 5 4 0 3 ) 。 溶血性能是血泵性能研究的重要方面。采用c f d 技术对血泵流场进行仿真分 析，利用得到的流场参数可以对血泵的溶血指数进行预估。但国内外学者对流场 进行研究时，大多假设血泵处在固定静止的环境中，没有考虑到血泵的植入环境、 高转速、受磁力的不均匀等因素引起的血泵振动问题。本文拟对植入式轴流血泵 在弹性植入环境下，受外磁驱动力的振动问题进行研究，继而研究血泵振动对血 泵流场以及溶血性能的影响。 1 2 大间隙外磁驱动技术在血泵中应用的研究进展 近年来，全球心力衰竭患者剧增，以每年5 0 0 0 万人次增长，而且每年约有 1 0 0 0 万患者死亡，这给医学研究带来巨大的挑战。由于药物治疗和外科手术在 心力衰竭方面的治疗有一定的局限性，而且心脏移植的供体十分短缺，促进了人 工心脏和机械性心脏辅助装置的发展【2 j 。轴流血泵与同属于旋转叶轮泵的离心血 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置及体内植 入，现逐渐发展成为心室辅助装置的主要驱动泵【j j ，其代表有美国的d u r a h e a r t 4 】 ( 图1 1 ) 、德州心脏中心的b e r l i nh e a r ti n c o r 5 j ( 图1 2 ) 等。 图1 - 1d u r a h e a r t 血泵图1 - 2b er li nh e a r ti n c o r 血泵 随着血泵的发展，血泵的驱动方式也随之变化，由气动或液动发展到电力驱 动，再发展到外磁场驱动 6 。外磁驱动将植入式血泵的驱动部分和工作部分分 离，驱动部分位于体外，通过改变磁场为体内工作部分的永磁体提供驱动力矩。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 最初的外磁驱动是利用磁齿轮的原理，利用径向多极性充磁的永磁体转动来带动 体内永磁体转子的转动【7 1 。但永磁体问的耦合在大间隙( 大于3 m m ) 、高转速条 件下，能量传递效率低，对驱动体外驱动永磁体的电机产生很大的影响，不能长 时间正常工作，而大间隙外磁驱动方式的出现很好的解决了这一问题【9 】。 谭建平【8 1 等人以轴流血泵驱动技术的研 究为背景，提出一种非接触式大间隙磁力驱 动方法，这种驱动方式结构形式如( 图1 3 ) 【lo j 所示：大体结构为一主动磁极，一从动磁 极。主动磁极为电磁体，由两个铁芯上分别 缠绕两个线圈构成，从动磁极为径向充磁的 永磁体；用时序电路控制以实现线圈电流在 规定时序的通、断，使主动磁极的磁场状态 按规定时序循环变化，使从动磁极的永磁体 在磁场中一直受到一个方向上的驱动力矩而 实现旋转。 卜从动磁极( 永磁体) 2 一主动磁极 ( 电磁体铁芯)3 一载流线圈 图卜3 大问隙磁力驱动结构示意图 这种驱动方法运用在植入式轴流血泵 中，可以使血泵的：【作部分与驱动部分分离，简化了血泵的结构，省略了穿皮导 线，不仅减少了血泵对人体的感染，还使植入者生活更为方便，克服了传统血泵 的机械方面的问题l l l 。运用大间隙磁力驱动，许焰【1 2 】等人研究的轴流血泵外形 尺寸为直径2 2 m m ，长度为约为8 0 m m ，如图1 4 所示；t h r o c k m o r t o n 1 3 】等人研 究中的轴流血泵的：外形直径1 9 m m ，长度3 0 m m 尺寸，如图1 5 所示；这种尺寸 足够植入主动脉或心室中。由于体积小、易植入、感染少，大间隙磁力驱动方法 成为植入式血泵驱动方法发展的一种趋势。 图1 - 4 植入式轴流血泵图1 - 5 轴流血泵螺旋叶轮 在大间隙磁力驱动机构的基础上，许焰8 , 1 2 , 1 4 等人对大间隙磁力传动系统进 行了设计，并基于磁路计算原理，以单匝圆形线圈的磁场空间为基础，建立了主 中南大学硕士学位论文第一章绪论 动磁极各状态下的系统空间磁场的数学模型；通过对主从动磁极的耦合空间磁场 分析、从动磁极所受力矩计算模型的建立和计算，分析了系统各参数与系统空间 磁场及驱动力矩的关系，确定了具有更佳传动能力的驱动结构及具体参数。 大间隙磁力驱动中驱动磁场产生的方法可根据主动磁极的数目及磁极状态 的变化分为多种驱动方式。祝忠彦【l5 j 等人研究了单磁极切换和双磁极切换这两 种驱动方式，对比了两种驱动方案下的驱动力矩、传动过程中能量传递效率及工 作中电磁体受损耗情况，发现虽然两种方案均能实现血泵的稳定工作，但双磁极 切换方式在驱动力矩、能量利用方面优于单磁极切换方式，因此在许多研究中均 选用双磁极切换方式。 为实现静止主动磁极的磁极状态按规定时序进行变换，刘云龙【i6 】等人利用 单片机技术对大间隙磁力驱动系统的控制电路进行了设计，能有效的减小高频变 换下磁极上缠绕线圈的阻抗，使大间隙、高转速情况下的系统响应能力提高，可 以在驱动电流为恒流输出的情况下稳定的工作，且能良好的实现正反转并进行调 速。 不同的血泵应用者和不同生理条件下对血泵的泵血量有不同的需求，在各种 情况下，健康成年人的心输出量的范围非常大，为5 l 3 0 l 。徐先懂【l7 j 利用d s p 和软测量，基于植入者的生理机制建立了比较完整的以心室功为控制目的的控制 系统。刘志坚【i8 j 等人对轴流血泵大间隙磁力驱动下的的驱动力矩和负载力矩进 行了建模和计算研究，优化了加速过程脉冲频率控制曲线，使血泵的加速时间显 著缩短，能快速改变血泵转速以提供适合生理机能需求的血液量，提高了血泵的 性能。 综上所述，大间隙磁力驱动方法的结构方案、控制电路、能量传递效率、驱 动力矩等方面都得到了比较详尽的研究分析，这使得大间隙磁力驱动方法在植入 式永磁血泵驱动系统中的应用的已趋于成熟和完善。 但以上研究中并未对从动磁极在主动磁极产生的磁场中受到的磁场力进行 研究，而在高转速下，受力的不平衡有可能导致系统运行时产生振动甚至失稳， 因而有必要对血泵所受的驱动磁极进行研究。而且在主动磁极空间磁场的研究方 面是基于简化为圆形的载流线圈模型，而在实际运用中由于铁芯为长方体导致缠 绕其上的线圈简化为矩形更为准确，因此现有的研究有一定的局限性。 1 3 植入式血泵植入环境研究进展 植入式轴流血泵一般植入心脏内或连接于心脏，如：美国的h e m o p u m p 轴 流血泵泵体部分植入在降主动脉处并用柔性管通过升主动脉、动脉瓣将左心室中 血液与泵入口相连( 图1 - 6 ) ；日本h o k k a i d 大学研制的v a l v o p u m p 轴流血泵植 中南大学硕士学位论文第一章绪论 入在升主动脉处，由于与主动脉瓣相连且所有血液都需要经过泵的流道，因此可 以起到主动脉瓣的作用( 图1 - 7 ) ；j a r v i k 2 0 0 0 型轴流泵与柏林心脏i n c o r 轴流泵 的流入管道与左心室心间吻合连接，流出管道则与升主动脉或降主动脉吻合接 通，泵体则置于心脏附近的胸腔中【1 9 】。 图卜6h e m o p u m p 轴流血泵图卜7v a l v o p u m p 轴流血泵 目前国内外学者对血泵植入环境的研究，主要是单个器官、组织的力学性能 和建模方面【2 0 抛】。由于植入式轴流血泵一般安装在心脏左心室、升降主动脉、胸 腔等位置，因而受到影响的器官、组织有心脏、动脉血管、肺、胸壁及器官之间 的心膜、胸膜、结缔组织、肋间组织等。 1 3 1 主动脉血管力学性能研究进展 主动脉血管壁由内膜、中膜、外膜 三层构成如图1 8 所示，内层主要由内 皮细胞和基质膜构成；中层则是若干同 心的弹性薄层，每层均由弹性蛋白、胶 原蛋白和平滑肌组成；外层是松弛结缔 组织。动脉血管壁的弹性主要是中层的 作用，力学性质也主要由中层决定。弹 性蛋白纤维的抗张强度较低，迟滞环很 外膜 图1 - 8 血管结构示意图 小，应力松弛不明显可以当做完全弹性体；而胶原纤维的抗张强度、迟滞环和应 力松弛均比弹性蛋白纤维要大；松弛状态下的平滑肌存在很大的迟滞环，应力松 弛趋于零，而在神经刺激下，平滑肌收缩，产生1 0 5n m 2 以上的张力【3 3 】。 在主动脉模型构建方面，由于血管壁构造和力学性质非常复杂，为了便于分 析，可以将其简化为连续介质的筒状力学模型，由各向同性的不可压缩的连续均 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 质材料组成【2 0 】。根据y uq i l i a n 2 1 】等人的研究知，实际情况中的动脉血管壁为粘 弹性材料，具有各向异性的非线性应力，但经充分预调后可将其处理为弹性材料。 在主动脉力学性能研究方面，早期p a t e l 等人 2 2 j 定义了血管壁各向同性增量 弹性模量，g o w l 2 3 】定义了血管壁容积弹性模量和血管压力一应变模量，通过对血 管进行不同的加载试验，得到了相应的弹性模量，且在实验中发现动脉壁的力学 属性类似复合材料，不同载荷下动脉壁有不同力学响应来适应载荷变化。 随时代发展，研究人员开始利用仪器通过测试活体中器官、组织运动形态， 间接得到血管壁的力学性能。v o n 2 4 】等人利用高频超声成像技术，对血管壁进行 了微结构研究，得到了血管壁微结构组成的b 超图像数据；甑斌【2 5 】等人采用高 频超声成像技术，测量了动脉血管结构参数及弹性模量并还原了血管壁的运动状 况；磁共振技术( m r ) 的出现，可以显示器官、组织的细微解剖结构，并可定 量地测量相关数据来进行分析，李治群【2 6 】等人利用m r 对冠状动脉血管壁进行 了高分辨率成像，得到了冠状动脉血管壁的具体结构参数及动态行为。 1 3 2 心脏力学性能研究进展 心脏主要由心肌组织构成，被心外膜包裹，内表面为心内膜，两层膜之间是 心肌。心肌基本单位是肌纤维，许多肌纤维由结缔组织连结在一起形成肌纤维束， 再由一层坚韧的结缔组织鞘套包住，以组成一块块肌肉。 最早在1 9 9 1 年，m e c u l l o c h 等人【27 j 采用连续生物力学的方法建立了心脏的 力学模型，通过这个模型将心肌的力学行为和心脏的力学功能联系了起来； n i c k e r s o n l 2 8 】对单个心肌细胞建立了耦合电机械模型，使关于肌丝机械力学模型 更为完善，以此为基础对整个心脏建模是唯一的研究过全部机械测试的心脏模 型；n a s h 2 9 j 在精确的心脏解剖模型基础上，提出了整个心室机械力学的数学框 架，利用简化的心肌力学模型，通过求解心室模型的有限元变形模型对整个心脏 的变形进行了仿真。 目前对于心脏运动的研究，主要是应用超声应变成像与弹性成像【3 0 】以及m r 弹性成像( m r e ) 3 1 j 方法，但由于不能完整获得心脏运动的应变数据，得到的心脏 弹性模量误差比较大。针对这种情况，金杰锋【3 2 】等人在心脏生物力学模型和状 态空间估计理论的基础上，建立了基于m r i ( 核磁共振) 图像的心脏左心室应 变和弹性模量三维成像的鲁棒方法，并得到更为精确的模型。 由上述可知，对于人体胸腔内各器官及组织力学性能的研究，由最初的直接 实验研究发展到利用仪器对活体中目标数据的提取再进行模型重建和分析，得到 的研究结果更为接近实际。各器官、组织的力学仿真模型及性能参数基本上能满 足一般研究的需求。 但一般研究目的是为了深入研究器官、组织的运动和发生病变时的检测诊 中南大学硕士学位论文第一章绪论 断，在研究时仅单独考虑一种器官或组织，然而植入式血泵等微型医疗器械的植 入位置为一个器官中或几个器官附近，可能对几个器官产生影响，因而很有必要 研究在人体各个位置处由于受力、形变对周围各器官、组织的综合影响。 1 。4 人体振动模型和受振动影响研究进展 环境中的振动对人体有着不同程度的影响，使人们的健康和生活受到损害， 现己成为七大公害之一【3 4 1 。建立人体各部分的振动模型和研究振动对人体各种 影响，对人们身体健康和生活环境质量的的提高有着重要意义。 人体振动模型建立方面，c r r i f f i n t 3 5 1 研究发现 人体是一个复杂的生物力学弹性系统，他根据大 量的实验数据建立了人体在竖直方向振动下的不 同自由度的振动模型，并对其特性和误差进行了 分析；获得认可的国际标准组织发布的 头颅骨 。3 0 0 ，、4 0 0 h z 牙床 10 0 一- 2 6 0 h z 心6 0 h z 胃粕h z 爱蒹一篓5 0 1 0 1 2 h z 应的振动模型，将人体看作机械系统，根据各部 。：二一声量出喜渤磊浊腠 分的生理特点，等效为弹簧振子的机械元件，确 撒眩文“ 比较了不同人体振动模型参数，根据人体动力学 图1 9 人体发苏型及各 6 瞪虚盟 如 幸 垢 中南大学硕士学位论文第一章绪论 已作了大量的研究工作。根据人体振动模型可以很好的得到人体对环境中振动的 响应，据此可以预测人体在此振动环境受到的影响。 但目前对振动影响的研究大多是基于实验手段，且大多数的研究只是局限于 在外界振动对人体各器官组织的影响，而对于细胞层面和振动损伤机理方面的研 究却很少，在这方面需进行完善，以更深层次研究人体受振动的影响。 1 5 计算流体动力学在血泵流场研究中的应用 血泵溶血是指血泵中的红细胞由于各种原因受到损伤而破裂，使红细胞内的 血红蛋自游离到血浆中。血泵的溶血性能是评价血泵性能的重要指标，一般用溶 血指数来定义溶血程度。红细胞是经过了血泵的流场而受到损伤形成溶血，因而 研究血泵的流场对减少血泵溶血指数有重要意义。 根据张宝宁【4 5 】、a l l e n 4 6 和p h i l i p t 4 7 1 等人的研究知：血泵流场中的剪切应力 和应力作用时间是红细胞的机械性损伤的主要因素；湍流场中的溶血水平要明显 高于层流中的溶血水平，且跨红细胞膜膜压力越大和瞬时跨膜压力增幅越大会导 致溶血水平的升高；血泵流场中，大尺度流动分离会降低流体的升压比，是血细 胞受损的重要因素。因此，血泵流场研究的内容主要是剪切应力的分布、湍流场 的位置和大小、整体流场稳定状态、小范围中流场的压差等。 由于血泵结构的复杂性，使得传统的流体力学难以对其流场进行精确计算和 分析。计算机技术的发展，使计算流体动力学( c f d ) 这门学科得以出现，它以 电子计算机为工具，通过应用各种离散化数学方法，可以对流体力学中各类问题 进行数值机模拟和仿真分析，得到流场中压力、速度及其他数据。研究人员还可 以利用c f d 技术方便地在计算机上对血泵参数进行优化改进，无需再进行血泵 加工，节省了研发时间和费用1 4 剐。 t f i e p 4 9 j 等人同时使用c f d 技术和数字粒子成像装置对三种叶轮的流场进行 了测试，以寻求最佳结构叶轮，这两者结果具有很好的契合度，由此证明了c f d 技术的正确性。t e t s u y a l 5 0 1 等人利用c f d 技术对血泵流场进行了仿真，利用流场 中的剪应力分布和血细胞经过各剪应力的时间预估了血泵的溶血指数，并用实验 证明了预估溶血指数的正确性，为血泵溶血的预测提供了一种新的手段。 国内蔺嫦艳【5 l j 等人利用仿真手段对i i 型轴流心室辅助系统流场进行了分 析，根据得到的流场特征，对血泵叶轮进行了优化：增加叶轮与导流叶片间的过 渡区域，减小叶轮的作业半径。云忠1 5 2 】等人应用c f d 仿真技术中的多相悬浮模 型，对血泵的流场进行了仿真分析，结合红细胞受机械损伤机理，对血泵结构进 行了优化，得到了溶血性能更好的血泵参数。 c f d 技术在红细胞流动流动变形研究方面，p o z r i k i d i s l 5 3 】对剪切场中的红细 中南大学硕士学位论文第一章绪论 胞变形进行了仿真分析，得到了不同剪切应力作用下红细胞受剪应力被拉伸扭曲 的变形形状；国内崔建科5 4 j 等人对微血管中红细胞的流动进行了数值化仿真， 发现在微循环中的红细胞因流场变化而变形，当随血浆流动时，变为倒立降落伞 形。 综上所述，c f d 技术能很好地对血泵流场进行仿真模拟，根据流场可以较 准确地估计血泵的溶血性能，而且可以方便的更改血泵结构方案，能大大减少血 泵的研发时间和费用，已成为血泵研究的重要手段，大大加快了血泵的发展。 但在上述血泵流场研究中，均假设血泵在工作时为理想的平稳状态，但在实 际工作中，由于高速旋转、受驱动力不均匀、植入环境的粘弹性、转子结构等因 素会使血泵发生振动，从而影响血泵的流场。因此，对血泵流场受振动影响进行 研究，得到振动参数与流场变化的关系，分析振动流场中血细胞的变形及损伤规 律，可以为血泵性能的进一步提高提供理论依据。 1 6 论文研究目的及研究内容 1 6 1 研究目的 1 采用矩形线圈模型，更精确地计算血泵永磁体转子受驱动磁力。 目前，大间隙磁力驱动系统的结构、驱动方案、空间磁场模型、驱动力矩、 控制电路等都己得到比较完善研究，使这种技术的应用已经趋于成熟。但在研究 中关注的多是它的驱动能力和控制方式的实现，而没有对其在工作中受到的驱动 力进行研究，这对于高速旋转机械却非常重要；在对主动磁极线圈所产生的空间 磁场强度计算时，为简化计算，将线圈形状视为圆形，因而计算公式有很大的局 限性。针对这些因素，本课题在以上对主动磁极线圈所产生的空间磁场强度研究 的基础上，采用更符合实际的矩形线圈模型，以得到更精确的磁场强度值，并根 据所得结果，对从动磁极所受驱动磁力进行计算，得到从动磁极的受力状态。 2 结合所受驱动磁力，建立血泵弹性植入环境中振动系统模型。 在血泵植入环境的研究方面，单独的器官、组织的力学振动模型和模型参数 己得到比较详尽的研究，它们各自在正常状态或受到载荷时的变形情况也可以得 到比较精确的估计，但是对于几个器官或组织共同建模的文献却很少见到。随着 医疗技术的发展，人体中植入物对周围器官及组织的影响得到越来越多的关注， 因而对于器官和组织的联合建模也逐渐成为一个重要的研究方向。在本文中，为 了研究植入式血泵在植入位置受驱动磁力的振动状态，将血泵植入位置的各组织 联合建立振动模型，结合血泵受到的驱动力，建立血泵振动系统。 3 采用c f d 技术对振动使血泵流场产生的变化进行仿真研究，继而分析振 动对血泵溶血影响。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 c f d 技术已成为血泵流场研究的必要手段，它在血泵流场研究方面己十分成 熟，可以很好的对血泵流场进行仿真计算，得到流场的各项参数。现今血泵流场 研究多是集中在血泵结构、叶轮形状这些因素对流场的影响方面，而对于实际工 作中的血泵振动对流场的影响却没有考虑。本课题利用c f d 技术对血泵受驱动力 振动而使泵内流场产生变化进行仿真研究，得到流场影响的参数变化，继而分析 振动对血泵溶血的影响：对红细胞在振动流场中的变形和受力进行仿真研究，为 分析红细胞受振动损伤机理提供基础。 1 6 2 研究内容 本文以大间隙外磁驱动的植入式轴流血泵为研究对象，计算了作为从动磁极 的血泵永磁体转子受主动磁极的驱动力；在此基础上，将血泵所受磁力与对血泵 植入环境建立的模型构成血泵的振动系统，得到血泵在各转速下的振动状态；将 泵体振动条件加载到血泵流场中，分析振动对流场的影响；对单个红细胞所在流 场建模，分析红细胞在振动流场中的变形和受力状态。 本文的研究方法与技术路线如图1 1 0 所示。 电磁学 弹塑性力学 生物力学 机械振动学 机械系统动 力学 二相流体力 学 ： 血液流变学 一 细胞力学 露翮； 血泵泵体受 驱动磁力振 动特性研究 振动流场中 单个红细胞 外形变化研 究 图卜1 0 论文研究技术路线 9 7 。测墼泵研瀵遴血响曩望对影纛戮一动场 蘩逐振流究 。瓣戮_ 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 本文主要研究内容如下： 1 永磁体转子受驱动磁力计算。以大间隙外磁驱动方式中的双极四状态为 研究对象，推导矩形载流线圈产生磁场强度的计算方法，继而对作为从动磁极的 血泵永磁体转子在各角位移下所受磁场驱动力进行了计算，得到血泵转子旋转一 周所受的磁力随角位移变化的曲线图。 2 泵体振动状态研究。对植入式轴流血泵的植入位置进行建模，将其简化 为纯弹性筒状模型，结合永磁体转子所受磁力构成血泵振动系统，通过解析振动 系统方程，得到血泵不同转速下泵体的振动速度及位移随时间变化的响应，并对 作为激励的驱动磁极进行频谱分析，以分析泵体振动响应的特征。 3 振动对血泵流场影响。将振动边界加入到血泵流场的简化模型中，利用 f l u n t 流场仿真软件进行仿真计算，提取计算结果，分析振动对血泵流场中速 度、压力、壁面剪切力等参数的影响；简述振动对由血泵流场状态引起的血泵溶 血的影响。 4 振动中单个红细胞的变形、受力研究。建立单个红细胞模型，对红细胞 所在流场进行建模，利用f l u e n t 软件对有振动边界的单个红细胞所在流场进 行仿真计算，得到红细胞的变形状态、受力状态和流场状态，由这些因素分析振 动对于红细胞损伤的影响。 5 血泵受驱动磁力振动实验。建立模拟血泵植入环境弹性模型的实验系统， 使用振动测试仪测量血泵在各转速下的振动加