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本研究聚焦于人工心脏泵的溶血性能优化，通过CFD技术分析关键参数对其影响，成功降低溶血指数94.40%，为心脏泵的临床应用提供重要技术指导。
人工心脏泵在心力衰竭患者治疗中发挥着重要作用，但其运行过程中对血液的损伤，尤其是溶血问题，一直是临床应用中的关键挑战。溶血不仅会导致红细胞破裂，还会引发一系列并发症，如血栓形成和出血，严重影响患者的预后和生活质量。为解决这一问题，中国科学院赣江创新研究院的研究人员开展了一项基于计算流体动力学（CFD）的人工心脏泵溶血性能优化研究。该研究通过深入分析蜗壳类型、入口导锥、叶片包角和叶尖间隙等关键参数对溶血性能的影响，成功确定了最优参数组合，显著降低了溶血指数（NIH），为人工心脏泵的设计和开发提供了重要的理论依据和技术支持。研究成果发表在国际知名期刊《Heliyon》上，为推动人工心脏泵技术的发展和临床应用提供了新的思路和方法。
研究背景与意义
人工心脏泵作为一种重要的医疗器械，广泛应用于心力衰竭患者的治疗中。其核心功能是通过高速旋转的叶轮将血液泵送至全身，以维持血液循环。然而，这种高速旋转的叶轮在运行过程中会对血液细胞造成损伤，尤其是红细胞的溶血现象。溶血不仅会导致红细胞破裂，释放出自由血红蛋白，还会引发一系列严重的并发症，如血栓形成和出血，给患者带来极大的风险。因此，优化人工心脏泵的溶血性能，降低其对血液的损伤，是当前研究的重要方向。
研究方法
为解决人工心脏泵的溶血问题，研究人员采用计算流体动力学（CFD）技术，对人工心脏泵的内部流场进行模拟分析。研究中构建了三维流体域模型，并通过网格划分和边界条件设置，精确模拟了血液在泵内的流动状态。通过建立剪切应力模型和溶血估计模型，研究人员分析了蜗壳类型、入口导锥、叶片包角和叶尖间隙等关键参数对溶血性能的影响，并确定了最优参数组合。
研究结果
蜗壳类型对溶血性能的影响
研究人员分别构建了单蜗壳和双蜗壳的人工心脏泵流场模型，并在设计工况（3400 r/min转速，4.5 L/min血流量）和非设计工况（4200 r/min转速，10 L/min血流量）下进行了模拟分析。结果显示，单蜗壳泵在非设计工况下容易出现涡流，导致剪切应力增加和血液滞留时间延长，从而加剧溶血和血栓形成的风险。相比之下，双蜗壳泵通过内部隔板有效引导血液流动，减少了涡流现象，显著改善了溶血性能。然而，考虑到双蜗壳设计增加了制造成本，研究人员最终选择了单蜗壳设计。
入口导锥对溶血性能的影响
研究人员创新性地在泵体入口处增加了导锥，以引导血液快速通过泵内的低速区域。模拟结果显示，增加导锥后，泵内低速区域显著减少，血液滞留时间缩短，溶血指数（NIH）降低了76.12%。这一结果表明，入口导锥的增加显著改善了人工心脏泵的溶血性能，而对径向力和泵的扬程影响较小。
叶片包角对溶血性能的影响
研究人员分析了不同叶片包角（0°、30°、60°、90°和120°）对溶血性能的影响。结果显示，叶片包角为90°时，溶血指数最低。这是因为叶片包角的增加会缩小流道，加速低速区域的血液流动，但当叶片包角超过90°时，流道进一步变窄，导致剪切应力增加，反而不利于溶血性能。
叶尖间隙对溶血性能的影响
叶尖间隙是指蜗壳盖板内表面与叶轮外表面之间的距离。研究表明，当叶尖间隙从30 μm增加到100 μm时，溶血指数显著降低；而当间隙进一步增加到200 μm时，溶血指数反而上升。这表明，叶尖间隙过大或过小都会对溶血性能产生不利影响。最终，研究人员确定100 μm的叶尖间隙为最优设计。
研究结论与讨论
通过优化蜗壳类型、入口导锥、叶片包角和叶尖间隙等关键参数，研究人员成功将人工心脏泵的溶血指数降低了94.40%。优化后的溶血指数远低于临界值0.1 g/100L，表明该设计对血液细胞的损伤极小，具有良好的临床应用前景。此外，优化后的泵在扬程和效率方面也表现出色，为人工心脏泵的开发提供了重要的技术指导。未来，研究人员将进一步通过实验验证优化后的人工心脏泵的性能，以确保其在实际应用中的可靠性和安全性。
