人工心臟泵的案例
基于計算流體動力學仿真的離心式人工心臟泵葉片參數優化
基于計算流體動力學仿真的離心式人工心臟泵葉片參數優化[J].工具技術,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）是心臟疾病發展的終末階段，傳統藥物及電生理治療對終末期心衰療效不理想，而心臟移植被認為是最有效的治療方法之一。由于心臟供體的數量有限，無法滿足臨床需求，越來越多的學者把研究重點轉向以人工心臟泵為代表的機械循環輔助治療。根據治療目的，可以將人工心臟泵用于恢復期治療、移植過渡期治療和替代心臟移植的終點治療。
根據人工心臟裝置的驅動方式、血流形式以及工作原理，可以把人工心臟泵的發展分成三個階段：第一代的氣動式容積泵、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、質量輕、溶血性能好、性能穩定的方向發展，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重要指標就是溶血性能，因此越來越多的學者探究不同結構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設計參數進行了研究，通過仿真表明，較大的葉片高度和較小的間隙會產生較高的溶血指數值，且與葉片高度相比，間隙對溶血有更明顯的影響。
展開 3D打印人工心臟泵展示嵌入式磁鐵打印的應用
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”。這位博士生補充說：“我的目標不是制造一個好的心臟泵，而是要證明它如何一步到位地生產出來?！?嵌入式磁鐵印刷
根據Petersdorff-Campen的說法，用磁鐵進行3D打印的研究仍處于起步階段。作為蘇黎世心臟項目的一部分，研究人員決定通過創造一種幾何復雜且具有磁性的人工心臟泵來測試他的方法。因此，創建嵌入式磁體印刷以確認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，這些細絲被打印，因為噴嘴自動輸出計算機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個小時進行打印。心臟泵原型的橫截面。深灰色的磁性元件清晰可見。
開發磁性3D打印材料
Petersdorff-Campen實驗過程中的主要挑戰之一是細絲的開發。添加到顆?；旌衔镏械拇判苑勰┰蕉?，磁體越強，但這會導致最終產品更脆?！拔覀儨y試了各種塑料和混合物，直到長絲具有足夠的柔韌性以進行印刷，但仍具有足夠的磁力，”Petersdorff-Campen補充道。 Petersdorff-Campen的嵌入式磁鐵印刷工藝還獲得了美國人工內臟器官協會（ASAIO）的原型設計一等獎。盡管有實用價值，但由于各種批準程序，嵌入式磁鐵印刷已經面臨一些批評，因為其他人認為它不適合生產醫療器械。
“在材料和加工方面還有很多需要改進的地方; Petersdorff-Campen表示，我不希望植入這樣的設備。據說這種方法具有制造電動機的潛力，用于技術家用設備，計算機硬盤驅動器，揚聲器和微波爐。
展開 蘇黎世科學家使用嵌入式磁鐵3D打印人造心臟泵
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臟器官協會（ASAIO）的原型設計一等獎。
△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雜的產品，更重要的是，它們含有磁鐵 - 而且在使用磁鐵進行3D打印的領域，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了原型。 Petersdorff-Campen稱他新開發的方法是“嵌入式磁鐵打印”。關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，這些線材通過噴嘴打印出來，自動打印出計算機生成的形狀。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個小時進行打印。
最大的困難之一是線材的研發：添加到顆粒混合物中的磁性粉末越多，磁體越強，但這會導致最終產品更脆。 “我們對各種塑料和混合物進行了測試，直到線材具有足夠的柔韌性以進打印，同時仍具有足夠的磁力，”Petersdorff-Campen說。
Petersdorff-Campen在一本學術期刊上發表了他的著作。反應各不相同，他解釋說：“有些人已經在詢問他們可以在哪里訂購材料。”有人批評3D打印不適合生產醫療設備，因為他們必須經歷各種審批程序。 “不過，這不是我的重點，”Petersdorff-Campen強調說。 “我只是想表明這個原理?！彼_信科學家和開發人員值得進一步發展。
展開 基于SolidWorks的機械人工心臟瓣膜結構設計與有限元分析
人工機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力學認識的深入，新材料的應用，人工機械心臟瓣膜計算機模擬、測試手段的提高，使得人工機械心臟瓣膜研究成為國內外新興研究的熱點之一。通過SolidWorks及其分析軟件COSMOSWorks進行新型三葉瓣的研究開發，分析機械心臟瓣膜的結構組成及設計要求進行瓣葉與瓣環的結構設計。對瓣葉選擇合適的網格化分，用COSMOSWorks軟件自帶求解器進行應力與應變分析。為進一步研制新型人工機械心臟瓣膜提供了一種參考方法
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展開 
哈佛3D打印心臟瓣膜為提高人工膜瓣匹配度開辟道路
近期，哈佛大學的科學家們則將該技術應用到了受損心臟領域，這提供了一種可以保持動脈暢通、讓血液自由流動的潛在新工具。
心臟瓣膜置換術是一種相對常見但卻比較棘手的手術，外科醫生需要打開促進血液進出心臟的四個瓣膜中的一個。這些瓣膜可能停止正常工作的原因有很多，但其中一個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打開和關閉。
哈佛大學的研究人員指出，在75歲及以上的美國人中，每八個人中就有一個以上會經歷中到嚴重程度的心臟主動脈瓣堵塞。醫生通過導管小心地將人工瓣膜置入主動脈內來進行治療，這一過程被叫做經導管主動脈瓣置換術(TAVR)。然而要想確定正確的尺寸卻有點像猜謎游戲。
“如果你在網上買了一雙鞋，卻沒有先試穿過，那么它們很有可能不太合適，”哈佛大學維斯研究所資深研究科學家James Weaver解釋稱，“選擇合適的替代TAVR瓣膜也會出現類似的問題，因為醫生沒有機會在術前評估特定瓣膜的尺寸與患者的解剖結構之間的匹配程度?！? 如果判斷錯誤后果將會很嚴重。如果人工瓣膜太小就會發生移位和泄漏的問題；如果人工瓣膜太大，則會導致心臟破裂甚至還可能會導致死亡。
科學家們目前確實有一些工具可供他們在準備過程中使用。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測出人工瓣膜的適應程度。
展開 生物醫用金屬材料現狀與進展
在人體心血管方面的應用體現在：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。
醫用不銹鋼的應用
醫用不銹鋼作為醫用金屬材料的一大類，以金屬植入材料或醫療器械形式在臨床上用量很大，雖然存在著一些問題，但也促使和推動了材料工作者對其進行優化和改善，主要包括兩方面的工作： 一是對傳統醫用不銹鋼的改進；另一方面是研究開發新型醫用不銹鋼。由于醫用不銹鋼在體液環境下的失效很大程度是由點蝕、縫隙腐蝕、腐蝕疲勞及應力腐蝕斷裂等局部腐蝕而引起的，因此，優異的耐體液環境腐蝕性能是其應用的重要條件和要求，研究工作也主要依據這一方面來開展。新型醫用不銹鋼的開發包括：
(1)鐵素體及雙相醫用不銹鋼的開發；
(2)低鎳及無鎳醫用不銹鋼的開發。
研究表明，與傳統316L不銹鋼相比，醫用無鎳不銹鋼具有優異的力學性能和耐蝕性能。另外，在避免了Ni離子有害作用的同時，體內和體外結果均顯示其生物相容性明顯提高，而且還發現其具有優異的骨誘導和骨整合能力。這為解決傳統不銹鋼作為骨植入材料存在的力學性能、耐蝕性和生物相容性不足等問題提供了新的材料途徑。在應用方面，醫用無鎳不銹鋼作為空心螺釘材料已經被大量使用，在解決人工髖關節斷裂和無菌性松動等問題方面具有良好前景，同時醫用無鎳不銹鋼輕量化在降低接骨板的應力遮擋效應方面也具有明顯優勢。人們還在不斷探索其更多的臨床應用潛力。
展開 綜述 \\ 星載有源相控陣天線熱控技術研究進展
主動熱結構目標為研發基于單相泵驅流體回路、采用兩級架構的主動熱控技術：第一級為利用微泵在集成的換熱器和輻射器之間循環工作流體；第二級是直接為有效載荷儀表提供低溫冷卻的微型制冷機．主動熱結構熱控系統可為100 W級的熱負荷提供有效的熱管理，目前已研發出地面原理樣機并對其進行了測
試
．在該項研究中應用了多項新技術，包括微泵、小型制冷機、微型儲液器以及超聲波增材制造技術(ultrasonic additive manufacturing，UAM)，詳細參數可見文獻．
作為主動液冷系統的核心驅動部件，微泵的性能及可靠性直接決定著整個主動液冷系統的運行性能和可靠性．目前，微泵的可靠性仍是應用于空間單相泵驅流體回路系統的一個重要挑戰．整體而言，國外用于單相泵驅流體回路系統的微泵的成熟應用場合一般為航天器熱控系統，核心技術受到軍事保密和技術封鎖限制，而國內相關技術研究與國外存在一定差距．
華中科技大學、電子科技大學及中國科學院上海技術物理研究所等研究機構均針對液冷回路用微泵開展了相關研
究
．為減小泵軸承磨損導致的使用壽命降低問題，劉發
龍
參考生物醫藥領域人工心臟泵的高可靠性軸承設計，驗證了接觸式陶瓷軸承方案并設計了符合液冷用水力懸浮軸承方案的微泵．
展開 One Code, One Model | 一文詳解顯式有限元鼻祖Ansys LS-DYNA
之所以可以開展這些仿真，是因為LS-DYNA求解器能夠用一個求解器處理多階段、多尺度、多物理場問題，比如電動車電池的內部短路行為、高爾夫球棒擊球的噪聲、振動和粗糙度、汽車輪胎駛過水池的飛濺和打滑行為，甚至主動脈人工心臟瓣膜在血液泵送通過時的復雜啟閉行為。
起搏器→生物電→心室瓣膜→血液流動
LS-DYNA與Ansys Workbench的深入集成，將有助于優化多物理場產品設計和研發工作流程，以便充分利用電氣化、自動駕駛汽車和5G等顛覆性技術，因為這些技術將繼續從汽車、航空航天和通訊行業向外擴展，幾乎進入到各個行業。更大規模、更復雜的問題需要速度更快、更易獲取的解決方案，而這正是Ansys收購LSTC后為客戶所能提供的解決方案。Ansys收購LSTC后，雙方的客戶都期望實現更深入的技術集成。隨著Ansys進一步將LS-DYNA集成到Workbench中，客戶可以確保他們將處于公司決策流程的核心位置。
來源于：Ansys
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之所以可以開展這些仿真，是因為LS-DYNA求解器能夠用一個求解器處理多階段、多尺度、多物理場問題，比如電動車電池的內部短路行為、高爾夫球棒擊球的噪聲、振動和粗糙度、汽車輪胎駛過水池的飛濺和打滑行為，甚至主動脈人工心臟瓣膜在血液泵送通過時的復雜啟閉行為。
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