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为解决儿童心力衰竭治疗中血泵设计难题，浙江大学医学院附属儿童医院等单位研究人员开展儿科血泵叶片设计优化研究。结果表明优化后血泵性能提升，该研究为儿科 VAD 设计提供关键参考，强烈推荐科研读者阅读。
在医学领域，心力衰竭（HF）是一种复杂的临床综合征，常与心脏结构或功能异常相关。儿童心力衰竭主要由先天性畸形和心肌病导致，其发病率不容小觑。在美国，每年有 11,000 - 14,000 名儿童因心力衰竭住院，死亡率达 7%；英国和爱尔兰的发病率为 0.87/100,000；我国台湾地区则是 7.4/100,000。更令人揪心的是，三分之一的患病儿童在确诊一年内面临死亡或需要心脏移植。
为了帮助这些小患者，心室辅助装置（VADs）作为心脏移植的过渡手段逐渐受到关注。使用 VADs 的儿童患者，6 个月时 82% 有积极的治疗效果，如依靠装置存活、成功过渡到心脏移植或病情恢复。像柏林心脏 EXCOR 儿科 VAD 已获美国食品药品监督管理局批准用于儿童心脏移植过渡；婴儿 Jarvik 2015 装置对体重小于 8kg 的患者也有不错的效果。
然而，技术进步虽然提升了 VADs 的性能，但在儿童血液泵设计方面仍面临挑战。儿童的心脏和胸腔体积较小，对血液泵的尺寸有严格要求；而且他们对血液兼容性的要求比成人更高，这使得儿童血液泵的设计难度大大增加。在血液泵设计中，叶轮的结构参数对其性能至关重要。以往研究人员需要通过大量的数值计算和实验来寻找叶片参数的最佳组合，但逐一改变叶片参数研究其对血液泵性能的影响，工作量巨大。传统的设计方法，比如流线法，原本是为飞机机翼设计的，主要关注轴流泵的水力性能和效率，并不完全适用于血液泵叶片设计，因为血液泵叶片设计还要考虑高速旋转叶片对血液的潜在损伤以及整体的血液动力学。
为了解决这些问题，浙江大学医学院附属儿童医院心脏外科等单位的研究人员在《Heliyon》期刊上发表了题为 “Optimizing the design of a pediatric blood pump through orthogonal experimentation” 的论文。研究人员通过正交实验优化了儿科轴流血液泵的叶片设计，并将水力实验与血液动力学数值模拟相结合，不仅提高了儿科血液泵的水力性能，还降低了血液损伤。这一研究成果为儿科心室辅助装置的设计优化提供了宝贵的思路，就像在黑暗中为研发人员点亮了一盏明灯。
研究人员为了开展这项研究，使用了多种关键技术方法。计算流体动力学（CFD）模拟是其中的关键之一，利用商业软件 Ansys Fluent 求解不可压缩的 Navier - Stokes 方程，采用 SST k - ω 湍流模型处理部分位置
可能超过 1 的情况，以此评估血液泵的水力和溶血性能。同时，采用正交实验设计，选取叶片入口角（
）、叶片出口角（
）、叶片包角（
）、叶片长度（L）、叶片高度（h）和叶片起始面与轮毂的距离（W）这六个因素，每个因素设置五个水平，设计了 25 组正交实验组合，有效减少了实验次数。另外，通过水力实验，在模拟室温 24℃、血液粘度 3.5 mPa?s 的条件下，测量血液泵的压力和流量数据，以此验证 CFD 模拟的准确性。
下面来看看具体的研究结果。
正交实验确定影响因素顺序
研究人员进行了 25 组 CFD 模拟，得到不同正交实验组合下的血液泵压头。通过范围分析，他们发现六个叶片参数都会影响血液泵压头，影响程度从大到小依次为：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（
）、叶片出口角（
）、叶片入口角（
）。这就好比找到了影响血液泵 “工作能力” 的关键因素，并且知道了它们影响力的大小顺序。
优化模型满足设计要求
通过对叶片参数进行三维建模和 CFD 模拟，研究人员发现最初确定的使泵压头最大化的模型 A（
组合）在转速 12000 rpm、流量 3 L/min 时，压头达到 85 mmHg，超过了设计要求的 40 mmHg，但高转速会增加溶血风险。经过多次模拟，最终确定在转速 10000 rpm、流量 3 L/min 的条件下，优化后的模型 A 压头为 52 mmHg，满足设计要求。这就像是为血液泵找到了一个 “恰到好处” 的工作状态。
实验验证模拟准确性
研究人员对优化后的模型 A 进行了实验测试。在 12000 rpm、3 L/min 的流量条件下，实验测得压头为 83.9 mmHg，与 CFD 模拟结果 85 mmHg 相比，误差仅为 1.3%；在 10000 rpm、3 L/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%。模拟结果和实验结果之间的误差可能来自多个方面，比如模拟计算过程中的网格、计算模型和边界条件，实验过程中的传感器精度、实验数据处理误差等。不过，误差始终保持在 5% 以下，这充分证明了模拟模型和网格设置的合理性。就好像模拟和实验这两个 “小伙伴” 配合得十分默契，验证了彼此的可靠性。
优化模型性能良好
优化后的模型 A 在血流动力学方面表现出色。在 10000 rpm、3 L/min 的工作条件下，血流通过叶片和导叶时会产生少量回流，回流有助于清洁导头附近区域，防止血栓形成。通过定义回流系数 R 来量化血液回流，研究发现泵内最大回流率为 0.16%，且小回流不影响泵的性能。从压力分布来看，泵内壁、叶轮叶片工作面和导叶尾端压力较高，约为
，但压力分布均匀，没有局部压力集中的情况。在剪切应力方面，约 95.08% 的区域剪切应力低于 200 Pa，超过 300 Pa 的区域仅占 1.56%，低剪切应力区域占比大，意味着血液受到的破坏较小。这表明优化后的血液泵在减少回流率和剪切应力方面性能优异，就像一个精心调校的精密仪器，能更好地为小患者的健康服务。
在研究结论部分，研究人员通过正交实验研究了不同叶片参数对儿科血液泵压头的影响，对比了不同模型的水力性能和溶血情况，确定了最佳模型和工作条件。对最佳模型进行的水力性能测试显示，其 H - Q 曲线（压头 - 流量曲线）和流场平稳，回流极少，压力分布均匀，CFD 分析得出的剪切应力和溶血水平也很低。这些结果为儿科血液泵的设计提供了重要参考，为后续研发更高效、更安全的儿科心室辅助装置奠定了基础。
不过研究也存在一些局限性。目前的溶血评估仅通过数值计算，缺乏实验验证，后续研究人员计划开展临床溶血测试加以完善。同时，未来的研究可以将溶血计算值和关键区域回流率作为正交实验的设计目标值，结合溶血测试，形成更完善的儿科血液泵设计方法。但这并不影响此次研究的重要意义，它为该领域的研究开辟了新的道路，让人们朝着更精准、更有效的儿童心力衰竭治疗方向又迈进了一步。
