人工心臟泵
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
人工心臟泵的實(shí)例教程
基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真的離心式人工心臟泵葉片參數(shù)優(yōu)化[J].工具技術(shù),2021,55(10):51-57.
Liu Zehui，Zhang Song，Qu Yifei. Blade Parameter Optimization of Centrifugal Artificial Heart Pump Based on Computational Fluid Dynamics Simulation，Tool Engineering, 2021,55(10):51-57.
1 引言
心力衰竭（Heart Failure，HF）是心臟疾病發(fā)展的終末階段，傳統(tǒng)藥物及電生理治療對終末期心衰療效不理想，而心臟移植被認(rèn)為是最有效的治療方法之一。由于心臟供體的數(shù)量有限，無法滿足臨床需求，越來越多的學(xué)者把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向以人工心臟泵為代表的機(jī)械循環(huán)輔助治療。根據(jù)治療目的，可以將人工心臟泵用于恢復(fù)期治療、移植過渡期治療和替代心臟移植的終點(diǎn)治療。
根據(jù)人工心臟裝置的驅(qū)動(dòng)方式、血流形式以及工作原理，可以把人工心臟泵的發(fā)展分成三個(gè)階段：第一代的氣動(dòng)式容積泵、第二代的軸流泵以及第三代的磁/磁液懸浮式離心泵，并且人工心臟泵逐漸向體積小、質(zhì)量輕、溶血性能好、性能穩(wěn)定的方向發(fā)展，但溶血與血栓等問題依然存在。衡量人工心臟泵性能的一個(gè)重要指標(biāo)就是溶血性能，因此越來越多的學(xué)者探究不同結(jié)構(gòu)人工心臟泵的溶血性能差異。
Kadir M.R.A.等對人工心臟泵的葉片高度和葉片與上蓋板的間隙兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究，通過仿真表明，較大的葉片高度和較小的間隙會(huì)產(chǎn)生較高的溶血指數(shù)值，且與葉片高度相比，間隙對溶血有更明顯的影響。
展開 Petersdorff-Campen通過3D打印人工心臟泵原型展示了他的方法，稱為“嵌入式磁體打印”。這位博士生補(bǔ)充說：“我的目標(biāo)不是制造一個(gè)好的心臟泵，而是要證明它如何一步到位地生產(chǎn)出來。”
嵌入式磁鐵印刷
根據(jù)Petersdorff-Campen的說法，用磁鐵進(jìn)行3D打印的研究仍處于起步階段。作為蘇黎世心臟項(xiàng)目的一部分，研究人員決定通過創(chuàng)造一種幾何復(fù)雜且具有磁性的人工心臟泵來測試他的方法。因此，創(chuàng)建嵌入式磁體印刷以確認(rèn)將磁體直接印刷到塑料中的能力。在該過程中，將磁粉和塑料混合并形成長絲。使用FDM技術(shù)，這些細(xì)絲被打印，因?yàn)閲娮熳詣?dòng)輸出計(jì)算機(jī)生成的形式及其各種組件。然后將印刷部件在外部磁場中磁化。塑料心臟泵原型總共花了15個(gè)小時(shí)進(jìn)行打印。心臟泵原型的橫截面。深灰色的磁性元件清晰可見。
開發(fā)磁性3D打印材料
Petersdorff-Campen實(shí)驗(yàn)過程中的主要挑戰(zhàn)之一是細(xì)絲的開發(fā)。添加到顆粒混合物中的磁性粉末越多，磁體越強(qiáng)，但這會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品更脆。“我們測試了各種塑料和混合物，直到長絲具有足夠的柔韌性以進(jìn)行印刷，但仍具有足夠的磁力，”Petersdorff-Campen補(bǔ)充道。 Petersdorff-Campen的嵌入式磁鐵印刷工藝還獲得了美國人工內(nèi)臟器官協(xié)會(huì)（ASAIO）的原型設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)。盡管有實(shí)用價(jià)值，但由于各種批準(zhǔn)程序，嵌入式磁鐵印刷已經(jīng)面臨一些批評，因?yàn)槠渌苏J(rèn)為它不適合生產(chǎn)醫(yī)療器械。
“在材料和加工方面還有很多需要改進(jìn)的地方; Petersdorff-Campen表示，我不希望植入這樣的設(shè)備。據(jù)說這種方法具有制造電動(dòng)機(jī)的潛力，用于技術(shù)家用設(shè)備，計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器，揚(yáng)聲器和微波爐。
展開 他通過3D打印人工心臟泵原型展示了他的方法，稱為“嵌入式磁體打印”，并獲得了美國人工內(nèi)臟器官協(xié)會(huì)（ASAIO）的原型設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)。
△原型的橫截面，深灰色的磁性元件清晰可見
Petersdorff-Campen說：“我的目標(biāo)不是制造出良好的心臟泵，而是要展示如何在一步中將其制造出來。”
人工心臟泵不僅是幾何形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，更重要的是，它們含有磁鐵 - 而且在使用磁鐵進(jìn)行3D打印的領(lǐng)域，研究仍處于起步階段。因此，Petersdorff-Campen的心臟泵是首批使用3D打印制造磁性元件的原型之一。
這位26歲的博士生今年春天開發(fā)了原型。 Petersdorff-Campen稱他新開發(fā)的方法是“嵌入式磁鐵打印”。關(guān)鍵是要確保磁鐵直接在塑料中3D打印。磁粉和塑料在打印前混合并加工成稱為線材。使用FDM技術(shù)，這些線材通過噴嘴打印出來，自動(dòng)打印出計(jì)算機(jī)生成的形狀。然后將打印的成品在外部磁場中磁化。塑料心臟泵原型總共花了15個(gè)小時(shí)進(jìn)行打印。
最大的困難之一是線材的研發(fā)：添加到顆粒混合物中的磁性粉末越多，磁體越強(qiáng)，但這會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品更脆。 “我們對各種塑料和混合物進(jìn)行了測試，直到線材具有足夠的柔韌性以進(jìn)打印，同時(shí)仍具有足夠的磁力，”Petersdorff-Campen說。
Petersdorff-Campen在一本學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了他的著作。反應(yīng)各不相同，他解釋說：“有些人已經(jīng)在詢問他們可以在哪里訂購材料。”有人批評3D打印不適合生產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備，因?yàn)樗麄儽仨毥?jīng)歷各種審批程序。 “不過，這不是我的重點(diǎn)，”Petersdorff-Campen強(qiáng)調(diào)說。 “我只是想表明這個(gè)原理。”他確信科學(xué)家和開發(fā)人員值得進(jìn)一步發(fā)展。
展開 人工機(jī)械心臟瓣膜是自然心臟瓣膜的替代物，隨著對人工心臟瓣膜血流動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí)的深入，新材料的應(yīng)用，人工機(jī)械心臟瓣膜計(jì)算機(jī)模擬、測試手段的提高，使得人工機(jī)械心臟瓣膜研究成為國內(nèi)外新興研究的熱點(diǎn)之一。通過SolidWorks及其分析軟件COSMOSWorks進(jìn)行新型三葉瓣的研究開發(fā)，分析機(jī)械心臟瓣膜的結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行瓣葉與瓣環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對瓣葉選擇合適的網(wǎng)格化分，用COSMOSWorks軟件自帶求解器進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變分析。為進(jìn)一步研制新型人工機(jī)械心臟瓣膜提供了一種參考方法
基于SolidWorks的機(jī)械人工心臟瓣膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析.pdf
展開 近期，哈佛大學(xué)的科學(xué)家們則將該技術(shù)應(yīng)用到了受損心臟領(lǐng)域，這提供了一種可以保持動(dòng)脈暢通、讓血液自由流動(dòng)的潛在新工具。
心臟瓣膜置換術(shù)是一種相對常見但卻比較棘手的手術(shù)，外科醫(yī)生需要打開促進(jìn)血液進(jìn)出心臟的四個(gè)瓣膜中的一個(gè)。這些瓣膜可能停止正常工作的原因有很多，但其中一個(gè)特別常見的原因是鈣積聚在被稱為小葉的皮瓣上，正常情況下它在每次心跳時(shí)打開和關(guān)閉。
哈佛大學(xué)的研究人員指出，在75歲及以上的美國人中，每八個(gè)人中就有一個(gè)以上會(huì)經(jīng)歷中到嚴(yán)重程度的心臟主動(dòng)脈瓣堵塞。醫(yī)生通過導(dǎo)管小心地將人工瓣膜置入主動(dòng)脈內(nèi)來進(jìn)行治療，這一過程被叫做經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換術(shù)(TAVR)。然而要想確定正確的尺寸卻有點(diǎn)像猜謎游戲。
“如果你在網(wǎng)上買了一雙鞋，卻沒有先試穿過，那么它們很有可能不太合適，”哈佛大學(xué)維斯研究所資深研究科學(xué)家James Weaver解釋稱，“選擇合適的替代TAVR瓣膜也會(huì)出現(xiàn)類似的問題，因?yàn)獒t(yī)生沒有機(jī)會(huì)在術(shù)前評估特定瓣膜的尺寸與患者的解剖結(jié)構(gòu)之間的匹配程度。”
如果判斷錯(cuò)誤后果將會(huì)很嚴(yán)重。如果人工瓣膜太小就會(huì)發(fā)生移位和泄漏的問題；如果人工瓣膜太大，則會(huì)導(dǎo)致心臟破裂甚至還可能會(huì)導(dǎo)致死亡。
科學(xué)家們目前確實(shí)有一些工具可供他們在準(zhǔn)備過程中使用。通常情況下，患者需要接受CT掃描，其中X射線圖像將用于生成心臟的三維重建，但這仍舊只能描繪出部分圖像。雖然這些可以展示主動(dòng)脈的外壁以及鈣的積聚，但由于小葉太薄無法顯示出來因此就很難預(yù)測出人工瓣膜的適應(yīng)程度。
展開 
人工心臟泵的最新內(nèi)容
從人工心臟泵的研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，目前很多學(xué)者從葉輪的一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)入手，探究這些參數(shù)對人工心臟泵溶血性能的影響，而綜合考慮多個(gè)參數(shù)對人工心臟泵溶血性能、水力性能影響的研究較少。
華中科技大學(xué)、電子科技大學(xué)及中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所等研究機(jī)構(gòu)均針對液冷回路用微泵開展了相關(guān)研
究
．為減小泵軸承磨損導(dǎo)致的使用壽命降低問題，劉發(fā)
龍
參考生物醫(yī)藥領(lǐng)域人工心臟泵的高可靠性軸承設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了接觸式陶瓷軸承方案并設(shè)計(jì)了符合液冷用水力懸浮軸承方案的微泵．
在人體心血管方面的應(yīng)用體現(xiàn)在：制備人造心臟瓣膜、血液過濾器、心臟起搏器和人工心臟泵等。
之所以可以開展這些仿真，是因?yàn)長S-DYNA求解器能夠用一個(gè)求解器處理多階段、多尺度、多物理場問題，比如電動(dòng)車電池的內(nèi)部短路行為、高爾夫球棒擊球的噪聲、振動(dòng)和粗糙度、汽車輪胎駛過水池的飛濺和打滑行為，甚至主動(dòng)脈人工心臟瓣膜在血液泵送通過時(shí)的復(fù)雜啟閉行為。
之所以可以開展這些仿真，是因?yàn)長S-DYNA求解器能夠用一個(gè)求解器處理多階段、多尺度、多物理場問題，比如電動(dòng)車電池的內(nèi)部短路行為、高爾夫球棒擊球的噪聲、振動(dòng)和粗糙度、汽車輪胎駛過水池的飛濺和打滑行為，甚至主動(dòng)脈人工心臟瓣膜在血液泵送通過時(shí)的復(fù)雜啟閉行為。
據(jù)外媒報(bào)道，3D打印技術(shù)為醫(yī)用植入物開辟了一個(gè)全新的可能性世界，外科醫(yī)生可以為患者量身定制以此來完美契合他們獨(dú)特的解剖結(jié)構(gòu)，這種服務(wù)甚至還延伸到了企鵝、海龜和狗等動(dòng)物身上。近期，哈佛大學(xué)的科學(xué)家們則將該技術(shù)應(yīng)用到了受損心臟領(lǐng)域，這提供了一種可以保持動(dòng)脈暢通、讓血液自由流動(dòng)的潛在新工具。
心臟瓣膜置換術(shù)是一種相對常見但卻比較棘手的手術(shù)，外科醫(yī)生需要打開促進(jìn)血液進(jìn)出心臟的四個(gè)瓣膜中的一個(gè)
他通過3D打印人工心臟泵原型展示了他的方法，稱為“嵌入式磁體打印”，并獲得了美國人工內(nèi)臟器官協(xié)會(huì)（ASAIO）的原型設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)。
△原型的橫截面，深灰色的磁性元件清晰可見
Petersdorff-Campen說：“我的目標(biāo)不是制造出良好的心臟泵，而是要展示如何在一步中將其制造出來。”
Petersdorff-Campen通過3D打印人工心臟泵原型展示了他的方法，稱為“嵌入式磁體打印”。這位博士生補(bǔ)充說：“我的目標(biāo)不是制造一個(gè)好的心臟泵，而是要證明它如何一步到位地生產(chǎn)出來。”
嵌入式磁鐵印刷
根據(jù)Petersdorff-Campen的說法，用磁鐵進(jìn)行3D打印的研究仍處于起步階段。
人工機(jī)械心臟瓣膜是自然心臟瓣膜的替代物，隨著對人工心臟瓣膜血流動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí)的深入，新材料的應(yīng)用，人工機(jī)械心臟瓣膜計(jì)算機(jī)模擬、測試手段的提高，使得人工機(jī)械心臟瓣膜研究成為國內(nèi)外新興研究的熱點(diǎn)之一。通過SolidWorks及其分析軟件COSMOSWorks進(jìn)行新型三葉瓣的研究開發(fā)，分析機(jī)械心臟瓣膜的結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行瓣葉與瓣環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對瓣葉選擇合適的網(wǎng)格化分，用COSMOSWorks軟件自帶求解器進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變分析
