一種新型機(jī)械灌注泵的性能模擬

魏凌軒，葛斌△，張磊，張少偉，伍進(jìn)平，方旭晨

(1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；2.上海市楊浦區(qū)市東醫(yī)院，上海200092)

1 引 言

機(jī)械灌注(machineperfusion， MP)是一種新型的器官保存、轉(zhuǎn)運(yùn)方式[1]。其目標(biāo)是參照器官在人體內(nèi)生理環(huán)境(如溫度，血流量等)，制作一套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)離體器官的長(zhǎng)期保存。其工作方式為將離體器官的血管與機(jī)械灌注系統(tǒng)連接，機(jī)械灌注泵將灌注液以連續(xù)流或脈沖流的方式灌注至離體器官，通過(guò)灌注液供給離體器官氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并清除器官代謝產(chǎn)生的廢物[2]。相對(duì)于傳統(tǒng)的低溫冷保存法，機(jī)械灌注能將離體器官保存更長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)避免器官受到熱缺血損傷，冷保存損傷以及缺血-再灌注損傷等傷害[3-4]。

近年來(lái)，為了更好地運(yùn)用機(jī)械灌注技術(shù)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家在研究和改良機(jī)械灌注系統(tǒng)方面做了大量的工作。美國(guó) Organ Transport Systems公司設(shè)計(jì)的用于低溫機(jī)械灌注的Lifeport Liver Transpoter，其研究表明Lifeport肝臟轉(zhuǎn)運(yùn)器可以顯著降低術(shù)后早期移植物失功以及可用于挽救邊緣供肝。英國(guó)OrganOx公司設(shè)計(jì)的用于常溫機(jī)械灌注的OrganOxmetra設(shè)備，其研究表明可以有效減輕肝臟的再灌注損傷。這些設(shè)備均已用于臨床實(shí)驗(yàn)。其中現(xiàn)有系統(tǒng)大多使用滾壓泵以連續(xù)流的方式灌注離體器官[5-6]。如何將灌注液以脈沖流的方式灌注至器官成為大家關(guān)注的重點(diǎn)。本研究運(yùn)用CFD方法對(duì)一種新型機(jī)械灌注泵的工作過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，研究了該泵的基本性能。

2 新型機(jī)械灌注泵介紹

本研究中所提出的機(jī)械灌注系統(tǒng)的工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 新型機(jī)械灌注系統(tǒng)的工作原理圖

該機(jī)械灌注系統(tǒng)的一個(gè)工作循環(huán)為：灌注液從灌注液收集器流出，先進(jìn)入氧合器進(jìn)行氧合，然后通過(guò)單向閥流入機(jī)械灌注泵進(jìn)行增壓并以搏動(dòng)流的形式流出，然后通過(guò)氣泡消除器去除其中的氣泡，最后流入離體器官的血管中，對(duì)器官進(jìn)行灌注，完成灌注后，灌注液流回灌注液收集箱。該機(jī)械灌注泵的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1：泵體部分是一根內(nèi)壁光滑的圓管，兩端分別安裝一個(gè)泵頭，圓管的內(nèi)部放置了一塊均勻磁化的圓柱形永磁體，它將泵體分隔為A和B兩個(gè)腔室，永磁體的外徑略小于圓管的內(nèi)徑，泵體外層為驅(qū)動(dòng)線圈。

此機(jī)械灌注泵的工作過(guò)程是，驅(qū)動(dòng)線圈控制永磁體沿泵體的軸線運(yùn)動(dòng)，永磁體向左移動(dòng)時(shí)，A腔中的灌注液被擠出，同時(shí)B腔被灌注液充滿；永磁體向右移動(dòng)時(shí)，B腔中的灌注液被擠出，同時(shí)A腔被灌注液充滿。

該機(jī)械灌注泵的動(dòng)力裝置是一套“線圈--永磁體”裝置，其工作原理是，在一段有限長(zhǎng)螺線管上接入直流電時(shí)，螺線管會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與其軸線平行的感應(yīng)磁場(chǎng)，該感應(yīng)磁場(chǎng)與放置在螺線管內(nèi)的永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生互感現(xiàn)象。這種互感現(xiàn)象使螺線管對(duì)永磁體產(chǎn)生排斥或吸引的作用力，驅(qū)動(dòng)永磁體運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)整電流大小和直流螺線管中線圈疊加的方法，可以改變泵體周?chē)拇艌?chǎng)分布，控制永磁體在泵軸線上不同位置的受力大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁體運(yùn)動(dòng)方式的精確控制[7]。

這種新型機(jī)械灌注泵相較于傳統(tǒng)灌注泵的區(qū)別在于，該泵采用直流電驅(qū)動(dòng)，可以使用蓄電池供電，有利于離體器官在轉(zhuǎn)運(yùn)途中的保存。且該泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工難度小，可以作為一次性用品使用。

由于機(jī)械灌注系統(tǒng)在臨床上的應(yīng)用時(shí)間較短，其灌注的途徑，灌注流速及壓力，灌注液的氧合程度和溫度等主要參數(shù)，目前尚未統(tǒng)一共識(shí)[8]。本研究中提出新型機(jī)械灌注泵的輸出性能參照成年人心臟泵血參數(shù)和器官血流量設(shè)計(jì)。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1成年人心臟泵血參數(shù)和器官血流量[9]

Table1Heartpumpingparametersofhumanandbloodflowparametersoforgans

類(lèi)別數(shù)值心臟搏動(dòng)頻率75次/min心動(dòng)周期0.8 S左心室收縮期0.3 S左心室舒張期0.5 S心臟血液搏出量5L/min肝臟血流量1.5L/min腎臟血流量1.2L/min

3 CFD模型建立

CFD仿真計(jì)算不受物理模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖拗频奶攸c(diǎn)，使它成為指導(dǎo)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證設(shè)計(jì)的重要手段。本研究中使用CFD軟件中瞬態(tài)計(jì)算的方法驗(yàn)證該泵的功能。 使用AutoCAD建立二維軸對(duì)稱(chēng)模型，將其導(dǎo)入DM之后，運(yùn)用ICEM對(duì)模型劃分四邊形網(wǎng)格，最后導(dǎo)入Fluent進(jìn)行瞬態(tài)分析計(jì)算，其中使用動(dòng)態(tài)分層模型方法生成動(dòng)網(wǎng)格。

3.1 模型假設(shè)和模型尺寸

在建模過(guò)程中為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在保證對(duì)模擬結(jié)果影響較小的情況下，做出了以下兩個(gè)假設(shè)：

(1)在工作過(guò)程中，永磁體和泵體發(fā)生大量的摩擦而產(chǎn)生微小的間隙，假設(shè)兩者間的間隙為0.5 mm且呈對(duì)稱(chēng)分布。

(2)該泵整體呈軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在仿真計(jì)算時(shí)將復(fù)雜的三維模型計(jì)算簡(jiǎn)化為計(jì)算量較小的二維軸對(duì)稱(chēng)模型計(jì)算。

在以上兩個(gè)假設(shè)下，建立的二維軸對(duì)稱(chēng)模型見(jiàn)圖2。當(dāng)永磁體向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，模型左側(cè)為出口，右側(cè)為入口；當(dāng)永磁體向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，模型右側(cè)為入口，左側(cè)為出口。表2為模型的尺寸數(shù)值。

圖2 機(jī)械灌注泵的CFD模型

名稱(chēng)數(shù)值(mm)泵的整體長(zhǎng)度(a)234出口和入口半徑(b)5永磁體長(zhǎng)度(c)24永磁體半徑(d)14.5泵體半徑(e)15

3.2 邊界條件及計(jì)算參數(shù)

仿真過(guò)程中采用的邊界條件以及計(jì)算參數(shù)介紹如下：

(1)仿真中泵內(nèi)液體為液態(tài)水，密度為960 Kg/m3。

(2)模型中，永磁體將泵分隔為A，B兩個(gè)腔，永磁體和泵殼之間有間隙。A，B腔與間隙相連的面設(shè)置為interface邊界；模型下邊界設(shè)置為axis對(duì)稱(chēng)軸邊界；模型外殼部分設(shè)置為wall邊界；初始狀態(tài)時(shí)，設(shè)置左側(cè)入口為壓力入口，右側(cè)出口為壓力出口。

(3)初始狀態(tài)時(shí)，A腔被壓縮到最小，B腔最大。泵內(nèi)充滿液體。

(4)選用DoublePrecision雙精度求解器， AxisymmetricSwirl求解器和瞬態(tài)分析計(jì)算。

(5)仿真中使用UDF程序設(shè)定動(dòng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)方式。

4 模型的仿真分析

灌注泵的工作周期參照正常成年人的心動(dòng)周期，設(shè)定為1.6 s，每個(gè)工作周期內(nèi)搏動(dòng)兩次。本研究模擬了一個(gè)工作周期內(nèi)灌注泵內(nèi)部的流場(chǎng)變化情況。該泵在設(shè)計(jì)過(guò)程中制定了三種不同的控制方式，用于將液體以搏動(dòng)流的形式泵出。圖3為泵內(nèi)永磁體在不同控制方式下運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度的變化圖。其中加速度值為正值，表示永磁體做正向(模型中向右運(yùn)動(dòng)表示正向)加速運(yùn)動(dòng)。0～0.8 s內(nèi)永磁體做正向運(yùn)動(dòng)，第一種運(yùn)動(dòng)方式為永磁體加速度隨工作時(shí)間的變化為分段函數(shù)；第二種運(yùn)動(dòng)方式為永磁體加速度隨工作時(shí)間的變化為正弦函數(shù)，其中正弦函數(shù)的周期為0.3 s；第三種運(yùn)動(dòng)方式為永磁體加速度隨工作時(shí)間變化為一次函數(shù)，第0.15 s時(shí)加速度值為0。0.8～1.6 s內(nèi)永磁體做反向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式與正向運(yùn)動(dòng)時(shí)相同。

圖3 永磁體的運(yùn)動(dòng)方式

4.1 泵內(nèi)的流體速度場(chǎng)分布

仿真實(shí)驗(yàn)中使用UDF程序設(shè)置網(wǎng)格變化的方式，模擬永磁體在泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)永磁體以第二種運(yùn)動(dòng)方式在泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，圖4為泵內(nèi)流體在第0.05、0.075、0.15、0.225 s和0.3 s時(shí)的速度分布圖。從圖中可知，A腔內(nèi)流體被吸入泵體并逐漸擴(kuò)散，其速度在靠近泵的對(duì)稱(chēng)軸處最大，向外逐漸減小；B腔內(nèi)流體被擠壓出泵體，其速度從永磁體的端面到出口逐漸增大，并且分布均勻。

圖4 泵內(nèi)流體的速度分布

4.2 泵內(nèi)湍流動(dòng)能分布

流體為湍流狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生湍流應(yīng)力，其中的附加剪應(yīng)力會(huì)對(duì)血細(xì)胞造成破壞。湍流動(dòng)能是湍流強(qiáng)度的度量。圖5為在不同控制方式下，第0.15 s時(shí)泵內(nèi)流體的湍流動(dòng)能分布圖。從圖中可知，A腔內(nèi)湍流較小，主要集中在腔的中間部位，對(duì)稱(chēng)軸附件的湍流動(dòng)能約為0；B腔內(nèi)湍流主要集中在出口位置。圖中湍流動(dòng)能的最大值為0.4 m2/s2，表明泵內(nèi)湍流的強(qiáng)度很小，對(duì)血細(xì)胞的破壞作用很輕。

4.3 永磁體端面受到的平均壓力隨工作時(shí)間的變化關(guān)系

圖6為永磁體正向移動(dòng)階段，其端面受到的平均壓力變化曲線。

圖5 泵內(nèi)流體的湍流動(dòng)能分布

圖6 永磁體端面受到的平均壓力

結(jié)合圖3和圖6可知，永磁體在泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其端面受到的平均壓力與運(yùn)動(dòng)的加速度相關(guān)。當(dāng)加速度為正值時(shí)，平均壓力會(huì)增大，并且加速度的數(shù)值越大，平均壓力變化的幅度越大；當(dāng)加速度降為0時(shí)，由于B腔內(nèi)流體會(huì)逐漸達(dá)到穩(wěn)定，平均壓力會(huì)減小并逐漸達(dá)到穩(wěn)定；當(dāng)加速度為負(fù)值時(shí)，由于在慣性的作用下，B腔內(nèi)流體的速度會(huì)逐漸大于永磁體的移動(dòng)速度，使得永磁體端面處形成負(fù)壓區(qū)，受到的平均壓力減小為負(fù)值。第0.3 s后，泵內(nèi)液體逐漸變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)，永磁體端面受到的平均壓力逐漸變?yōu)?。

4.4 出口的質(zhì)量流量隨工作時(shí)間的變化關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中，模擬該泵正常工作三個(gè)周期后，開(kāi)始記錄B腔出口的質(zhì)量流量的變化曲線，記錄結(jié)果如圖7所示，其中，質(zhì)量流量為負(fù)值，表示液體從B腔中流出，質(zhì)量流量為正值，表示液體流入B腔。

圖7 泵的出口質(zhì)量流量

Fig7Themassflowrateattheoutletofthepump

模擬結(jié)果顯示正向運(yùn)動(dòng)階段，永磁體以第一種運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，B腔出口的質(zhì)量流量長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，且分布均勻；永磁體以第二種運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，B腔出口的質(zhì)量流量峰值最大，且分布集中，流出液體的搏動(dòng)性更顯著。第0.3 s后，泵內(nèi)液體因?yàn)閼T性繼續(xù)流出，并逐漸減小到0。反向運(yùn)動(dòng)階段，泵的出口質(zhì)量流量變化趨勢(shì)基本與正向運(yùn)動(dòng)階段相同，其中第1 s處，三條曲線都出現(xiàn)明顯的誤差值點(diǎn)，產(chǎn)生的原因是仿真模型中存在間隙，會(huì)有少量的液體流過(guò)。

5 結(jié)論

本研究使用Fluent軟件中瞬態(tài)分析計(jì)算的方法，仿真了一種新型機(jī)械灌注泵在不同控制方式下的工作過(guò)程。得到以下結(jié)論：該泵采用不同控制方式工作時(shí)，泵內(nèi)液體的湍流動(dòng)能均很小，對(duì)血細(xì)胞的破壞性低；永磁體端面受到的平均壓力和該泵的出口質(zhì)量流量與永磁體的運(yùn)動(dòng)方式直接相關(guān)，實(shí)驗(yàn)中，該泵在第二種控制方式下工作時(shí)，流出液體的搏動(dòng)性更顯著。相較于現(xiàn)有的機(jī)械灌注系統(tǒng)只能以連續(xù)流為離體器官進(jìn)行灌注，該新型機(jī)械灌注泵可以模擬成年人脈搏流動(dòng)曲線搏出灌注液，提高了機(jī)械灌注泵的“仿生性”。