上海交通大学学报(医学版)后负荷对Sarns2000离心泵溶血情况的影响韩露'王伟'俞晓青丁文祥1(上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心1.心胸外科，2.儿科转化医学研究所，上海200127)400r/min转速下，有后负荷时流速降低，泵的流量降低。泵内压力增大，溶血破坏增加;但剪切力大于150Pa的区域小于0.000032，对溶血的控制较好。结论后负荷压力会导致Sarns2000离心泵内溶血破坏的概率增加，但不会出现因剪切力导致大量溶血的问题。

　　离心泵是心肺转流和辅助循环常用的血泵，若其运行过程中产生的血栓和溶血超出安全范围将会引发多种并发症，严重者甚至危及患者生命。因此，血栓和溶血问题是衡量血泵性能的重要指标。

　　为清晰直观地反映出泵内速度矢量、压力和剪切力分布这些可能影响溶血情况的因素m，本文运用计算流体仿真(computational fluiddynamics，CFD)的研究工具GAMBIT软件和FLUENT软件，对Sarns2000离心式心室辅助装置内部流场进行数字1材料与方法1.1血泵及流道的三维模型构建Sarns2000磁动力离心式血泵(Terumo，曰本)(A)，该泵选用丙烯酸树脂作为泵头材料，互相垂直泵进出口设计，全封闭磁悬浮血泵，因此无密封及摩擦产生热量等问题。6个长叶片和6个短叶片交替构成叶轮，开放式流场。泵壳、叶轮、底座及内部的磁体构成―个整体，拆卸血泵，测绘泵体各部分的具体尺寸，用AutoCAD软件绘制零件图及装配图。根据泵的外轮廓基金项目浦东新区科技发展基金创新资金(PK2010-Y30)(FoundationofDevelopment韩露(1984―)，女，助理工程师，硕士;电子信箱：hlrain0621163.com.通信作者王伟，电子信箱：wangweicpb构建实心的配体模型，将之与泵体模型相减得到型腔，即为整个开放式流场的三维模型(B)。

　　1.2网格划分采用FLUENT前处理软件GAMBIT划分模型网格，由于计算区域的结构不规则且含有很多曲面复杂形状，故采用更广适应范围的完全非结构的四面体网格单元(TGrid)对泵体进行网格划分m，并用SIZEFUNCTION功能对局部网格加密。

　　离心亲A.整体计算网格;li.网格局部加密计算网格Fig 1.3血泵内部流场的计算模型H模拟血泵在非搏动转流模式下，稳定转流期的流动情况，故采用定常流来近似模拟流场，将叶轮和中轴等旋转部件设定成旋转固壁，泵壳固壁设定成静止固壁，泵壳和叶轮区域作为整体进行求解计算。

　　通用求解控制方程如式(1)：表等求解变量，为广义源项H. 400r/min工况下，收缩压66 mmHg(1mmHg=0.133kPa)情况下，流量为1.19L/min;并与空载状态下自由出流，流量为3.64L/min的进行对比。选用速度进口的进口边界条件，可将进口速度沿进口界面看作均匀分布，进口截面平均流速u根据，图中随颜色加深泵内液体流动速度增大，数值计算的结果显示，血泵稳定工作状态下泵内部速度场分布较为均匀合理，湍流现象较少，出口拐弯处颜色加深，是特别需要关注的部位，此处还出现回流、漩涡等复杂流动。网格划分时对此处进行了加密处理，可以更加地反映其内部速度矢量分布。在拐弯处附近的流动速度差别较大，A所示压力出口的流速低于B自由出流时，此处空载时流速明显较大，随着出口压力的增大，泵将血液的动能转化为压力能，出口处流速降低。

　　2.2压力分布400r/min下泵体内纵剖面(z =0)的压力分布见，颜色越深的部分压力越大，血流压力经泵旋转后提升的过程，显示血流从泵入口到泵出口压力增大。通过对比可以看出，A的深色面积明显大于B，指示在相同转速的情况下，有后负荷的工况比空载时产生更大的泵内压力。

　　口卜泵内部速度矢量分布A.66mmHg出口压力;B.自由出流。

　　出口处速度矢置分布= A.66mmHg出口压力;B自由出流。

　　泵体纵剖面静压云图(z=)2.3剪切力分析泵的剪切力主要分布于泵壳表面、叶轮表面和出口处，显示各表面的剪切力分布，图中红色代表进口，绿色代表动壁面即叶轮表面，紫色为出口，蓝色为静壁面即泵壳表面。从图中可以看出整体上叶轮的剪切力较大，泵壳次之，其余区域的剪切力都较小。由图整体上看泵壳上的剪切力较小而叶轮的剪切力较大。进一步关注叶轮表面剪切力分布，图中由蓝到红代表剪切力逐渐增加，可以看出叶轮高剪切力区域均出现在叶轮圆环外延处，且随流量增大而变大，即高剪切力区域越大，溶血增多。对所有接触面剪切力区间分布数据进行分析可见，所有接触面内剪切力大于150Pa的区域小于各表面的剪切力分布Fig A.66mmHg出口压力;B自由出流。

　　叶轮表面剪切力分布图(z=)3讨论速度矢量分布图显示，血泵稳定工作状态下泵内部速度场分布较为均匀合理，湍流现象较少，1400r/min转速下速度矢量分布合理，空载时泵的流量较高，后负荷会降低泵的出口流量。出口处的复杂流动也降低了血泵的输出功率，漩涡和回流会使红细胞停留在血泵中的时间延长，红细胞破损的概率也随之增大，导致溶血增多。压力云图显示，压力出口转化了更多的压力能，以提供后负荷压力，克服外周阻力。

　　血液内的红细胞受到机械运动和湍流运动的作用会产生溶血破坏，致使血红蛋白游离到血浆中。在血泵中，由流体或固壁作用力造成的血液损伤由两方面因素共同决定：红细胞的受力负荷值和暴露时间6 7.根据Giersiepen等的研究显示，表征溶血程度的值与暴露时间t和切应力t的关系如方程(2)所示：本研究显示：切应力值矣150Pa环境下，红细胞即使暴露的无限长时间也不会因为切应力被破坏;当切应力在150~1000Pa范围时红细胞开始受到破坏，此时由切应力大小和暴露时间共同决定是否溶血，切应力作用时间超过1s将引起红细胞破坏;当切应力值在临界值1 Pa以上时，红细胞即使暴露的极短时间也会破坏。当血泵转速在1红细胞在泵内停留时间不超过1s，所有接触面内剪切力大于150Pa的区域小于0.000 032，没有出现大于1000Pa的区域，对溶血的控制较好，不会出现因剪切力导致大量溶血的问题，为该泵的临床应用提供了数据支持。

　　定常流计算能够反映血泵在非搏动转流模式下，稳定转流期间的流动情况，但此仿真不适用于血泵刚启动和出现血压波动时。由于CFD计算的简化，将会引起一定的误差，尤其是溶血多发的湍流运动区中高剪切应力区域和不规则的流动区域可能产生的误差较大。

　　通过血泵空载状态和有出口压力工作状态的数值计算结果对比发现，由于后负荷的压力作用，血泵流量明显降低，不再符合空载时的压力-流量曲线韩露，等：后负荷对Sarns2000离心泵溶血情况的影响bookmark7规律，此时为达到低流量、高扬程的转流要求，需要提高血泵转速，泵内压力增大，溶血破坏增加。另外，还需要较为密集的转速覆盖范围和压力覆盖范围数据才能保证所得的数据可以为临床应用提供支持，并为血泵的改进提供。