基于田口方法的血泵叶轮几何优化：CFD分析与实验验证提升左心室辅助装置性能

本研究针对左心室辅助装置(LVAD)血泵效率低的问题，采用田口方法优化叶轮几何参数（叶片数Z、进出口宽度b1 /b2 、进出口角度β1 /β2 ），通过L27正交阵列将243种组合缩减至27组CFD模拟。结果显示优化泵在3300 rpm时液压效率提升21%达54%，实验验证功率降低33%。该研究为LVAD设计提供了高效优化方法。

　　

心血管疾病已成为全球健康的主要威胁，而终末期心衰患者往往需要依靠左心室辅助装置(LVAD)维持生命。这类旋转动力血泵虽能挽救生命，但存在两个关键瓶颈：一是能量转换效率低下导致设备续航不足，二是血液损伤风险影响患者长期生存质量。传统血泵设计方法多沿用普通离心泵的经验，未能充分考虑血液这种特殊流体的生物力学特性。

针对这一挑战，来自中国的研究团队在《Medicine in Novel Technology and Devices》发表创新研究，首次将工业领域成熟的田口(Taguchi)优化方法引入血泵设计。研究以一款参考离心血泵为基础，聚焦五个关键叶轮参数：叶片数量(Z)、入口宽度(b₁
)、出口宽度(b₂
)、入口角度(β₁
)和出口角度(β₂
)，每个参数设置三个水平。通过L27正交阵列设计，将全因子实验所需的243种组合大幅缩减至27组，显著降低了计算成本。

研究采用多学科交叉方法，整合计算流体力学(CFD)仿真、统计分析和实验验证三大模块。CFD模拟采用600万网格单元，选用Transition SST湍流模型，以血液相似流体（密度1050 kg/m³
，粘度0.0035 Pa·s）为介质，在3150-3450 rpm转速范围内评估性能。通过信号噪声比(S/N)和方差分析(ANOVA)确定最优参数组合，最后通过3D打印制造样机进行实验验证。

【材料与方法】
研究团队建立系统优化流程：首先基于参考泵参数（6叶片、b₁
=5.5 mm、b₂
=1.5 mm、β₁
=13°、β₂
=26°）设计L27正交阵列。CFD模拟采用ANSYS Fluent 19软件，耦合算法求解，收敛标准设为10^-5
。通过网格独立性验证确定500万网格足以保证精度。实验采用40%甘油水溶液模拟血液特性，搭建包含压力传感器、流量计和功率测量系统的测试平台。

【统计分析与优化】
ANOVA显示叶轮参数对效率的影响排序为：入口角度(43.59%)>出口宽度(30.56%)>入口宽度(11.74%)>叶片数(3.47%)>出口角度(2.99%)。最优组合为7叶片、b₁
=7.2 mm、b₂
=1.2 mm、β₁
=16°、β₂
=26°。第23号方案在3300 rpm时效率达42.81%，S/N比32.66均为最高。

【CFD性能对比】
优化泵在设计点(5 L/min, 3300 rpm)表现突出：

• 压差提升68%：从参考泵的76 mmHg增至128.515 mmHg
• 液压效率提升21%：从33%增至54%
• 壁面剪切应力降低：速度矢量场显示流动更均匀
• 功率特性改善：在3 L/min时功耗从11W降至7W

【实验验证】
3D打印样机测试证实：

• 压差误差仅6.7%（CFD预测vs实测）
• 系统总效率提升6-7个百分点
• 最佳工况出现在4-5 L/min流量区间
• 功率-流量曲线呈现半轴流泵特性

这项研究具有三重创新价值：首先，首次将田口方法系统应用于血泵优化，为复杂生物流体机械设计提供新思路；其次，通过参数敏感性分析揭示入口角度对效率的主导影响，为后续设计指明重点；最后，建立的CFD-实验联合验证体系为医疗器械开发提供可靠范式。研究者特别指出，未来工作应整合溶血指数(HI)等多目标优化，并探索该方法在轴流式血泵中的应用潜力。该成果不仅提升LVAD性能，其方法论对人工心脏、体外膜肺等生命支持设备的优化均有借鉴意义。