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微型轴流式血泵叶轮的结构优化设计和流场有限元计算分析
微型轴流式血泵被广泛运用于短期心脏循环辅助,其重要指标是转速、扬程、流量和流场分布.采用计算流体力学方法对血泵流场进行了数值模拟,得到血泵的扬程和流场分布,验证得出:传统升力法不能满足要求.为此提出了两种新型的轴流血泵DAVa和DAVb,叶轮数4,外径18mm,内径6.3mm,长度21mm,从轮毂到轮缘径向5个均匀分布的截面分别采用NACA10-NACA6翼型,相邻切面的安装角差为内切面翼型安装角的1/3和1/2.流体计算结果:随着轮毂处安装角从50°增加到80°,DAVb的扬程均大于DAVa,DAVb扬程平缓增加,DAVa则在80°处有一个突增;DAVa的脱流和湍流、径向流都明显小于DAVb.由此得出,轴流泵的扬程和叶轮安装角成正比关系,采用较为合适的叶轮扭转度有利于减小湍流、尾流和径向流等不稳定流场损耗现象.
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微型轴流血泵后导叶对流场的影响研究
基于CFD技术和激光多普勒测速、高速CCD等流场测试手段,研究了几种典型工况下微型轴流血泵内部及其出口的流场.揭示了导叶内部回流、漩涡,以及出口流动滞止区、二次流等流动细节;实验对比了两种不同结构后导叶的出口流场,发现导叶A的出口流场二维流动明显,符合血泵流场的需要,此研究为进一步开展血泵后导叶的优化设计提供了依据.
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动脉粥样硬化的力学机理分析的进展
随着人们生活水平的提高,冠心病的发病率有明显上升的趋势,研究动脉粥样硬化的形成机理是十分热门的课题.对动脉粥样硬化形成机理的原因,目前公认的可归纳有三种:一是机械力学原因;二是炎症原因;三是理化原因.本文主要以力学因素为线索,介绍动脉粥样硬化形成机理的进展.
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心瓣流场中湍流剪应力的方法学研究
本文从方法学的角度对目前心瓣流场中湍流剪应力体内外研究方法与检测技术及其优缺点进行了综合评估.鉴于诸多方法各自具有的不足,有关湍流剪应力的研究迄今尚缺乏一种较为理想的方法.指出体内无创研究是今后湍流剪应力方法学研究的一个主要发展方向,不断普及的MRI与逐步完善的多维彩色多普勒超声技术将成为准确性更高、较有前途的湍流剪应力检测方法.
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深海底栖生物分离系统流道参数优化
深海小型底栖生物具有重要生物医学研究价值.为了提高从海水样品中分离深海底栖生物的效率,减轻科研工作者的工作强度,研制了一套深海底栖生物分离系统.系统设计中,为避免装置超出系统的速度响应限制,又尽可能提高效率,需要选取合适的流道参数.采取了先仿真系统的受限模型,然后搭建物理系统,再通过实验寻求一个极限范围内的较优模型的方法,从而获得所需要的设计参数.
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单点双极选择性心脏起搏犬左心室腔内流场状态的超声观察
目的 采用基于多普勒血流成像原理的血流速度向量标测技术观察不同位点单点双极心脏起搏状态左心室腔内流场变化.方法 9只Beagle犬开胸动物模型,分别选择性起搏右心室心尖、左心室心尖和左心室侧壁,获取不同心脏电机械兴奋状态下连续3个心动周期的标准心尖四腔、两腔和左心室长轴切面二维彩色多普勒血流图.通过血流速度向量工作站,得到左心室心腔内血流二维速度向量、流线和涡流成像.通过在流线成像基础上同时设置左心室心尖、乳头肌和基底水平3条取样线获取跨线速度向量分布.在心动周期6个特定时相同时观察上述3个切面血液流场状态.结果 采用血流速度向量标测技术能够观察到特定时相左心室心腔内的血液流场状态,与基础窦性心律状态比较心脏起搏状态收缩期和舒张期左心室腔内血液流场的有序梯度分布和生理涡流状态遭到破坏或改变.左心室壁各位点起搏导致的左心室腔内流场异常状态均较右心室心尖起搏严重,其中左心室心尖位点起搏导致的左心室腔内流场状态改变程度较左心室侧壁起搏明显.结论 选择性心室起搏导致了左心室心腔内流场状态改变,应用血流速度向量标测技术能够检测到心脏起搏导致的左心室心腔内流场变化.
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心脏瓣膜外科的流体力学研究进展与展望
心脏瓣膜及其附近区域心脏大血管结构与流动于其中的血流共同构成了心脏瓣膜区域的流场,流场内空间位点的速度、切应力及压力的大小和方向,均随心动周期时相的改变而发生周期性变化,并受到作为其流场边界的心脏大血管边壁弹性、光滑程度等物理性质的影响.生理状况下,心血管系统流场随心动周期的变化,其流动型态表现为层流时相和湍流时相的交替出现.心脏瓣膜病变必然会引起心脏瓣膜流场型态和相应流体力学特性的改变,而局部流场型态和流体力学特性的异常可导致心脏瓣膜结构所处流体力学环境平衡状态的失衡,进而促使心脏瓣膜病变进一步发展,终导致心脏瓣膜组织结构毁损.因此,心脏瓣膜流场的流体力学特性研究对于瓣膜疾病病理和病理生理的探索、重建手术的设计、心脏瓣膜手术的远期疗效以及人工心脏瓣膜的研制均有重要意义.
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煤矿井下通风中风障导风对独头巷道流场影响的研究
目的 研究煤矿井下通风风障导风对独头巷道流场的影响,为煤矿独头巷道通风中风障设计和建设项目职业病危害评价提供帮助.方法 基于流体动力学和矿井通风理论,建立煤矿独头巷道不同风障长度导风的三维紊流k-ε数学模型,应用计算流体动力学(CFD)软件模拟独头巷道工作面通风的三维流场,从理论上得出风障长度对独头巷道空气流场的影响规律.结果 数字模拟与实际经验相符,风障深度超过独头巷道深度的5/6情况下,整个独头巷道,特别是工作面以及角落附近均能形成良好的通风.结论 从数字模拟的角度验证了足够长的风障能提供独头巷道内各个角落良好的通风,对煤矿独头巷道通风中风障设计和建设项目职业病危害评价具有重要的意义.
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应用计算流体动力学方法研究人工心脏流场
目的 探讨计算流体动力学(CFD)方法在人工心脏设计中的应用.方法 应用CFD Fluent6.1软件模拟不同状态下自制螺旋和轴流2种叶轮血泵泵腔、出人流口的流场状态,内部流场采用三维彩图显示.结果 得到2种血泵在不同转速下压力流量情况和内部流场及剪切应力分布状态.结论 模拟计算结果与体外实验结果对照显示CFD分析结果很好地提示血泵实际工作状态.CFD方法可以有效地提示设计血泵的血液相容性能,是血泵研制的可靠手段.
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离心式磁悬浮血泵内部流场数值仿真
目的 探讨离心式磁悬浮血泵内部流场和血液流动性能,为离心式磁悬浮血泵的结构设计提供重要依据.方法 利用计算流体动力学分析软件,采用K-ε模型、动网格技术和用户自定义函数(user defined function,UDF)技术,开展离心式磁悬浮血泵内部流场的三维数值模拟,分析离心式磁悬浮血泵流道的压力、流速分布,探索血液流量、血液压力与叶轮转速的关系.结果 该血泵叶轮转速在1800～2000 r/min时,进出口压差为110～120 mmHg,出口流量在4.69~5.28 L/min范围内变化,可以满足人体血液循环需求.结论 离心式磁悬浮血泵叶轮参数对其流场特性具有较大影响,可通过对叶轮结构的优化改善血泵的血流特性,进而节约成本,缩短研发周期.
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临床外科领域中的红细胞流变学研究
红细胞流变学主要研究红细胞在流场中的变形、聚集和粘附特性及其生化基础.研究不同病理条件下这些流变特性的变化规律.红细胞是血液中主要的有形成分,红细胞流变性的变化对血液循环,特别是微循环有重要影响.临床红细胞流变学研究多集中于心脑血管系统疾病和糖尿病等内科系统疾病上,而近年来外科学领域对红细胞流变学的研究显著增多,取得了很多成果,现就红细胞流变学在临床外科领域的应用研究现状作一综述.
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OSAHS患者自然睡眠期呼吸模式对上气道流场的影响
目的 分析阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)患者自然睡眠时平静呼吸和呼吸暂停期不同压力边界条件和呼吸模式对气道内气体的流动和生理状态的影响.方法 创建OSAHS患者仰卧位自然睡眠状态,并采集CT数据建立三维上气道有限元模型.临床测量患者睡眠期喉腔压力作为边界条件,考虑鼻吸鼻呼、鼻吸口呼、口吸鼻呼、口吸口呼4种典型呼吸模式进行流体力学仿真.结果 睡眠期OSAHS患者的呼吸气流呈非稳定、有涡、双向流动,压力边界以及呼吸模式对气体流动的影响明显.用口呼吸与用鼻呼吸相比,气体的大流速有所升高,压降主要集中在口腔,吸气时升高约30％,呼气时升高1倍.结论 采用OSAHS患者自然睡眠期CT数据建模并以临床喉腔压力作为边界条件进行有限元仿真具有意义,研究结果有助于了解OSAHS患者真实自然睡眠状态下的上气道流场特性.
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基于PIV技术的人体上呼吸道流场测量实验装置的构建
目的 针对人体上呼吸道气流运动形成涡结构、流动分流、二次流等特点,研制基于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术的人体上呼吸道流场测量实验装置,为开展人体上呼吸道流场特性实验研究提供平台.方法 基于完整人体上呼吸道医学扫描图像制备透明的实物模型,通过选择合适的气路系统,结合二维PIV系统搭建整套实验装置,并利用该装置对人体上呼吸道流场速度进行初步实验,将实验结果和数值仿真结果进行对比.结果 呼吸流量为30 L/min稳态呼吸模式下,实验装置测得的气流在口腔上部有涡结构的形成,口腔下部贴近舌苔上部及口腔中部的气流速度较高,其他部位气流速度较低,与数值仿真结果较为一致.结论 基于PIV技术的人体上呼吸道流场测量实验装置合理可行,运行可靠,可用于人体上呼吸道内气流组织形式和涡量分布等测量,并能够实现对数值仿真的验证.
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真实人体上呼吸道规范模型流场PIV实验研究
目的 研究上呼吸道模型内气流组织形式,深入认识上呼吸道内气流运动特性,为分析气溶胶在人体上呼吸道内的扩散、转捩以及沉积模式提供科学依据.方法 采用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对真实人体上呼吸道模型内流场进行了实验研究,并针对口腔、咽腔和气管等不同位置对气流状态进行了分析.结果 气流在舌苔上部和口腔中部速度较高,到咽部时,由于截面积的变小而导致气流速度增大,在声门处气流速度达到大(10.24 m/s),且在气管内呈前高后低分布；而在涡量分布方面,气流在声门部位产生强烈的喷射,致使气管内部速度梯度增加,在声门的前后壁面形成两个涡量集中区,并导致气管前壁面的涡量值要明显高于后壁面.结论 PIV是研究人体上呼吸道内气流组织形式的一种有效方法,对于探索有毒气溶胶对人体的危害和吸入药物气溶胶的治疗效果以及研究呼吸系统的发病机理有着重要的意义.
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基于PIV技术研究眼内房水流动特性的实验设计
目的 借助粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对密闭离体动物眼球后房注水引发的眼内慢流动过程进行流动显示,计算不同时刻的流场,探讨测量眼内低速流动流场的PIV实验方案,为生理状态下眼内房水低速流动的流场测量提供实验基础.方法 在离体眼球相对密闭的条件下,当微量注射泵按照0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5 mL/min的速率驱动液体人眼球时,即可满足眼内液体形成缓慢流动的需求.向离体兔眼后房内均匀注入一定浓度、粒径为10μm的荧光粒子溶液,在眼球前房的正中额状面给予激光片光照射,以获得眼球前房正中额状面清晰的粒子图像.PIV系统记录并计算眼内液体的流动情况.结果 向密闭的离体兔眼后房内均匀注入液体时,观察到液体先充满后房及瞳孔所在区域、之后绕过瞳孔缘进入到眼前房的流动规律,该规律与房水在生理条件下的理论流动过程一致.分析粒子图像,得到密闭眼球内几毫米每秒数量级的速度矢量.结论 眼内低速流动液体的流场可以用PIV方法进行测量,从而使生理状态下眼内房水慢流场的实验测量成为可能,有助于实验研究生理或病理条件下眼内房水的复杂流动；为房水流场的数值模拟计算提供实验验证,也可为眼内病变时角膜内皮细胞、虹膜表面、晶体的剪切力损伤提供新的诊疗思路.
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一种可以避免血管再狭窄的双移植管搭桥方式的数值模拟
目的 为改善冠状动脉旁路移植管的局部血流动力学,降低血管再狭窄的发生机率,研究一种可以避免血管再狭窄的双移植管搭桥方式.方法 利用有限元分析方法,对传统模型和双移植管搭桥模型进行血流动力学模拟仿真,计算缝合区附近的流场、壁面切应力等血流动力学因素的分布情况.结果 该双移植管搭桥具有较好的血流动力学分布,明显改善了主搭桥血管与冠状动脉缝合处的血流动力学参数,消除了该部位的涡流和流动停滞点,提高了底面的壁面切应力数值.在辅助搭桥血管与冠状动脉缝合处涡流区长度仅3 mm,与原主搭桥血管缝合处的涡流长度4.5 mm相比明显减小.辅助搭桥管分流了约36％的血液,只有约64％的血液流过了主搭桥管.结论 该双移植管搭桥有助于减小内膜增生的发生机率.
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药物洗脱支架在弯曲动脉中药物沉积量的数值分析
目的 分析弯曲动脉中药物洗脱支架间距和药物释放位置对血管壁内药物沉积量的影响.方法 采用二维弯曲血管和支架模型,对单一支架筋不同表面载药和不同支架间距(1,3和7倍支架筋宽)下血管壁内药物沉积量进行数值研究,并将计算结果与直管中情况进行比较.结果 药物从单一支架筋4个不同表面所产生的药物沉积量有较大差异,与直管相比,顶面的绝对优势在弯管中被减弱,近端的弱势在弯管中有大幅提高,远端变化不大.随着支架筋间距的增大,沉积量平均值增大,但变化幅度不如直管中剧烈.弯管内外侧形成沉积量差,外侧比内侧小很多.结论 局部流场的改变,药物从支架筋表面洗脱的位置以及多个支架筋的间距对弯曲血管中的药物沉积量有显著影响,且影响结果与直管中明显不同.
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柱状多孔磷酸三钙载体内细胞增殖与流场变化的研究
目的 通过流体力学模型分析三维灌注培养条件下载体内细胞增殖与流场变化的关系.方法 利用灌注型生物反应器对复合骨髓基质干细胞的β-TCP载体进行动态灌注培养,对不同时间段的载体行组织形态学观察和计量,建立灌注系统的流体力学模型,比较载体不同区域细胞增殖速度与流场的关系.结果 细胞在β-TCP载体内增殖速度随培养时间的延长而增加.培养 1 周,大部分区域细胞大多呈单层排列;培养2周,部分孔道已填满了细胞.培养4周,大部分孔道被细胞填满,有些区域细胞数量减少.建立载体随机孔道结构的流体分析模型发现,细胞生长较快区域对应的流速大多住0.14～0.64 mm/s,剪切廊力在0.0029～0.017 Pa.结论 载体内流体环境(流体剪切应力和流速)影响细胞在载体各个部位的生长,细胞生长导致载体内连通流道的结构和大小发生变化,其流体微环境亦随着发生变化,设计有利于成骨转化的载体结构要考虑这一因素.
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微管在细胞可变形性中的作用--抗拒微丝产生的张力
细胞的形态和力学性质或者说细胞的可变形性,决定了细胞对载荷的敏感程度.例如,剪应力持久作用可导致血管内皮细胞长轴沿流场方向排列,同时伴随细胞弹性模量的显著增高以及作用在细胞表面的剪应力梯度的显著降低.与此相对应,同一剪应力条件不再能诱导重排后的血管内皮细胞产生相应的生物学效应,如细胞膜上牵拉敏感离子通道的开放、胞内Ca2+浓度和血小板衍生生长因子(PDGF)B链mRNA的转录水平的增高等.这些证据表明,细胞的可变形性是细胞得以分辨其已经适应的和未适应的载荷的一种机制.
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血液微循环灌流状态的在体实验研究
血液是具有微观结构的生命流体,血液中有形成份--红细胞,白细胞和血小板,在其生命周期内,流经微血管时,发生碰撞, 聚集,分离,旋转,变形等流变性征为突出,同时由于微血管(微流场)具有舒张与收缩运动,血细胞与微流场相互作用,并形成动态耦合关系.因此体内血液微循环血流呈现出脉动性.不稳定性和随机性, 微血管中血流的复杂多变状态是血液对微循环有效灌注的基础.
