正交实验优化儿科血泵设计：提升性能，守护小小心脏

为解决儿科血泵设计难题，浙江大学医学院附属儿童医院的研究人员开展优化儿科轴向流血液泵叶片设计的研究。得出优化后血泵性能提升等结果，为儿科 VADs 设计优化提供参考。推荐科研读者阅读，助力相关研究12。

　　

在医学领域，心力衰竭（HF）是一种复杂的临床综合征，严重影响着人们的健康。对于孩子们来说，先天性畸形和心肌病是导致心力衰竭的主要原因 。世界卫生组织在 2009 年就曾指出这一情况。在美国，每年有 11000 - 14000 名儿童因心力衰竭住院，死亡率高达 7%；在英国和爱尔兰，儿童心力衰竭的发病率为 0.87/100,000；在我国台湾地区，这一数字是 7.4/100,000。更令人揪心的是，有三分之一的患病儿童在确诊后的一年内，面临着死亡或者需要进行心脏移植的困境。

为了帮助这些小患者，心室辅助装置（VADs，一种可以辅助心脏工作的设备 ）逐渐走进了人们的视野，尤其是在作为心脏移植前的过渡治疗（BTT）时，它发挥了重要作用。据相关研究报告显示，VAD 支持使得儿童患者的死亡率降低到了 17%，同时有 76% 的患者成功接受了心脏移植手术。在 6 个月时，82% 的儿科患者都有积极的治疗效果，比如依靠设备维持生命、成功过渡到心脏移植手术，或者病情有所恢复等。现在，有三分之一的儿童心脏移植手术都借助了 VAD 支持，像柏林心脏 EXCOR 儿科 VAD 就得到了美国食品药品监督管理局的批准，用于儿童的 BTT 治疗；而 Infant Jarvik 2015 设备，因其稳定性和维持患者血液动力学稳定的能力，对于体重小于 8kg 的患者来说，是一个不错的选择。

随着科技的不断进步，VADs 的性能也在逐步提升。在相关研究中，计算流体动力学（CFD）分析越来越受到重视。许多研究人员都利用 CFD 对血泵进行了深入研究，比如研究叶片数量、角度、厚度等因素对血泵性能的影响，还有优化血泵的结构设计等。不过，对于血泵的设计来说，叶轮的结构参数对其性能起着至关重要的作用。设计师们需要通过大量的数值计算和实验，找到叶片参数的最佳组合。但是，传统的每次只改变一个叶片参数来研究其对血泵性能影响的方法，工作量巨大。虽然正交实验方法作为一种多因素和多目标的优化设计方法，已经在一些血泵设计优化中得到应用，但儿童有着独特的生理特征，他们的心脏和胸腔体积更小，对血泵的血液相容性要求更高，这使得儿科血泵的设计面临着更大的挑战。

为了解决这些难题，浙江大学医学院附属儿童医院的研究人员在《Heliyon》期刊上发表了题为《Optimizing the design of a pediatric blood pump through orthogonal experimentation》的论文。他们通过一系列研究，成功优化了儿科血泵的叶片设计，不仅提高了血泵的水力性能，还降低了对血液的损伤，这为儿科心室辅助装置的设计优化提供了非常有价值的参考。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下几个关键技术方法：

1. 计算流体动力学（CFD）模拟：利用商业软件 Ansys Fluent 求解不可压缩的 Navier - Stokes 方程，采用 SST k - ω 湍流模型，对血泵的液压和溶血性能进行评估。
2. 正交实验设计：选取六个叶轮叶片参数，每个参数设置五个水平，通过正交设计原理，设计了 25 组实验组合，大大减少了实验次数。
3. 体外实验：在模拟室温 24℃下，使用特定比例的 0.9% 氯化钠溶液和甘油混合液模拟血液，对优化后的模型进行液压性能测试，测量压力和流量数据。

接下来，让我们详细看看研究人员都取得了哪些重要的研究结果：

1. 正交实验结果：通过 25 组 CFD 模拟，研究人员发现泵的液压性能会受到叶片参数组合的显著影响。在转速为 12000 rpm、流量为 3L/min 的条件下，25 组实验中只有 6 组满足 40 mmHg 的压头设计要求。通过对实验结果进行极差分析，研究人员得出了各个叶片参数对泵压头影响程度的排序，从大到小依次为：叶片起始面与轮毂的距离（W）、叶片高度（h）、叶片长度（L）、叶片包角（α）、叶片出口角（β）、叶片进口角（γ）。而且，他们还发现不同的叶片参数变化对压头的影响趋势也不一样，比如随着叶片进口角 γ 的增加，压头先降低后升高；随着叶片长度 L 的增加，压头先升高后降低 。
2. 优化模型的性能：研究人员得到了能使泵压头最大化的叶片参数组合（γ1β3α2L4h5W1 ，模型 A）。不过，考虑到血泵设计还需要兼顾血液动力学和溶血等因素，经过多次 CFD 模拟，他们发现将模型 A 的转速从 12000 rpm 降低到 10000 rpm，流量保持 3L/min 时（条件 A2），压头为 52 mmHg，既满足设计要求，又能降低溶血风险。与基线泵相比，优化后的模型 A 在 12000 rpm 时，压头从 40.3 mmHg 提升到了 85 mmHg；在条件 A2 下，溶血值（HI）比基线泵降低了 48% 。
3. 实验验证结果：研究人员对优化后的模型进行了体外实验。在 12000 rpm 和 3L/min 的流量条件下，实验测得的压头为 83.9 mmHg，与 CFD 模拟结果 85 mmHg 相比，误差仅为 1.3%；在 10000 rpm 和 3L/min 的条件下，实验压头为 50.8 mmHg，与模拟值 52 mmHg 的误差为 3.5%。实验和模拟结果的误差都在 5% 以下，这充分证明了模拟模型和网格设置的合理性。而且，实验还表明血泵的压头会随着流量的增加而降低，两者之间大致呈线性关系，血泵的性能可靠，最大转速能达到 12000 rpm，流量为 6.8L/min，压头为 105 mmHg，完全满足临床对儿科心室辅助的要求。
4. 流场、压力和剪应力分布：研究人员对优化后模型在 10000 rpm 和 3L/min 条件下的流场进行了分析。结果发现，血液在流经叶片和导叶时会产生少量回流，不过这些回流可以帮助清洁导头附近区域，防止血栓形成，而且最大回流率仅为 0.16%，不会影响泵的性能。在压力分布方面，血泵的叶轮区域、叶轮叶片工作面和导叶尾端的压力较高，大约为 10? Pa，但压力分布比较均匀。在剪应力分布上，高剪应力集中在导头、叶轮和导尾部分，不过模型 A 中约 95.08% 的区域剪应力低于 200 Pa，超过 300 Pa 的区域只占约 1.56%，说明该模型对血液的破坏作用较小。

最后，我们来总结一下这项研究的结论和讨论部分。在这项研究中，研究人员通过正交实验设计，研究了不同叶片参数对儿科血泵压头的影响，并且通过比较不同模型的液压性能和溶血情况，找到了最优的模型和工作条件。对最优模型进行的液压性能测试显示，它的 H - Q 曲线和流场都很平滑，回流极少，压力分布均匀，CFD 分析得到的剪应力和溶血水平也很低。这一系列的研究成果，为儿科血泵的设计提供了非常有价值的参考，让未来儿科血泵的设计能够更加符合临床需求，更好地帮助那些患有心力衰竭的孩子们。

不过，研究人员也清楚地认识到，这项研究还存在一些不足之处。比如，目前对溶血的评估只是通过数值计算，缺乏实验验证。他们计划未来对血泵进行临床溶血测试，并且在正交实验中把溶血计算值和关键区域的回流率作为设计目标值，这样结合溶血测试，有望形成一套更完善的儿科血泵设计方法。

总的来说，这项研究为儿科血泵的设计优化迈出了重要的一步，虽然还有需要完善的地方，但它为后续的研究指明了方向，让我们对未来儿科血泵能够更好地服务于小患者充满了期待。