一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统的制作方法

本发明涉及一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，属于生物医学工程领域。

背景技术：

1、血泵是治疗危重心血管疾病，挽救心力衰竭患者生命的关键医疗设备，其是否高效、低血液损伤以及保持下游血管正常的生理结构与功能是决定其临床应用效果的关键目标。血泵的流体结构，即其与血液相接处的零部件的表面形状，是决定其血泵效率、血液损伤程度以及对下游血管结构与功能影响程度的关键结构。针对血泵的流体力学结构设计，大量研究团队已经做了系统的研究。北京航空航天大学金东海团队提出的心血管系统-血泵耦合建模方法及耦合工作状态分析方法2022106973767，将心血管系统对血泵叶轮的非定常响应引入血泵流体结构设计中，增加了血泵内部血流动力学性能的真实性。但是这种方法依然是将血泵内部血流动力学环境作为研究的对象，忽略了血泵输出血流对于下游血管结构与功能的生物力学影响。浙江迪远医疗器械有限公司提出的血泵运行状态的监测方法、装置、电子设备及存储介质2022103065498，虽然将血泵叶轮的几何形状参数与血泵的血压血流参数相结合，采用人工智能方法建立二者之间的映射关系，但该系统只能预测血泵叶轮的几何形状对宏观血流动力学参数，即输出血流量与输出血压之间的关系，并不能对血泵内部细节血流流场信息以及对下游血管的血流动力学影响做出判断。中国科学院深圳先进技术研究院提出的一种基于并行cfd的离心式血泵数值模拟方法2021115258942将高性能血流动力学仿真方法应用于血泵流体结构的设计中。但是这种方法忽略了血泵外部条件，如前后管道的流动阻力、血液搏动性对泵内血流动力学的影响。此外，该方法为考虑血泵对血液中的红细胞，血小板等血细胞以及下游血管结构与功能的影响。

技术实现思路

1、为了优化血泵的血流动力学效果，提升血泵的水力学性能，改善血泵临床使用过程中出现的血液损伤、血栓形成以及下游血管的并发症，本发明提出一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，综合考虑血泵实际使用的外部环境、水力学性能表现、血泵内部血流动力学特性、血液损伤水平以及血泵输出血流对下游血管的生物力学影响，优化血泵的内部流体结构，包括导头、叶轮与导尾。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案：一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，包括血泵外部条件评估模块、血泵血流动力学高性能计算模块、血液损伤评价模块、血栓形成评价模块、下游血管冲击评价模块、多参数-多目标优化模块、快速成型模块与血流动力学快速评估模块；

3、所述血泵外部条件评估模块评估血泵前后管道的血流阻抗；所述血泵血流动力学高性能计算模块采用高性能血流动力学计算方法模拟血泵与主动脉内的血流速度与压力分布；所述血液损伤评价模块根据血流速度分布数据，采用对流扩散模型计算血液中游离血红蛋白浓度分布；所述血栓形成评价模块根据血小板受到的剪切应力累计程度评估血栓形成风险；所述血管冲击评价模块根据血泵输出血流速度分布及其对血管壁的冲刷作用评价血管受到的冲击程度；所述多参数-多目标优化模块根据上述指标迭代修改血泵流体结构参数，以实现上述参数的最优化；所述快速成型模块根据确定的血泵设计数据快速制作血泵实验样机；所述血流动力学快速评估模块对血泵样机进行快速血流动力学评价。

4、作为优选，血泵外部条件评估模块根据式：

5、

6、η——血液动力学粘度

7、l——出入口管道长度

8、r——出入口管道的平均内径。

9、作为优选，血泵血流动力学高性能计算模块根据式：

10、

11、

12、u——血流速度

13、ω——血流涡量

14、t—时间

15、p—血压

16、ρ—血液密度

17、μt—血液的湍流粘度。

18、作为优选，血液损伤评价模块根据式：

19、

20、hb——血液中的游离血红蛋白浓度

21、μ——血液动力学粘度

22、ρ—血液密度

23、t—时间。

24、作为优选，血栓形成评价模块根据式：

25、

26、n——时间步数

27、σi——i时刻的粒子收到的剪切应力。

28、作为优选，血管冲击评价模块根据式：

29、

30、∫sω·ds＝∫lu·dr

31、wss——血管收到的壁面剪切应力

32、ω——血液中的涡量

33、σii——血液变形量。

34、作为优选，所述多参数-多目标优化模块将血泵流体结构参数，主要包括：导头的叶形，叶片高度、导头锥度、叶轮叶片高度，叶片数量、叶片扭转角度、轮毂比例，导尾叶形，叶片数量，导尾锥度，作为优化的特征，将血泵的水力学效率、压力与流量关系、血液损伤水平、血栓形成风险、血管冲刷程度指标等作为优化目标，采用多目标优化与神经网络相结合的方法，迭代调节血泵的流体结构参数，以达到目标的最优化。

35、作为优选，所述快速成型模块根据多参数-多目标优化模块确定的血泵流体参数，采用三维快速成型技术制作血泵的样机，打印采用双组份材料，组分a为光固化数值材料用于构建血泵的整体结构，组分b为不溶于水的油性材料，用于覆盖在血泵流体结构表面，用于后续评价血流对血泵流体结构的冲刷作用。

36、作为优选，所述血流动力学快速评估模块由三维激光粒子成像设备、生理脉动血流平台组成，用于血泵样机的快速血流动力学测试。测试过程中，生理脉动血流平台首先产生真实的脉动血流环境。当血泵样机工作状态稳定后，采用三维激光粒子成像设备对血泵的内部流动情况进行高性能拍摄，后期通过算法获得血泵内部的血流流动情况。在实验结束后，拆卸血泵，采用光学显微镜测量血泵导头、叶轮与导尾表面的组分b图层的厚度变化，根据厚度变化评价血液对血泵流体结构的冲刷强度，进而判断易发生血液损伤与血栓形成区域。

37、本发明的有益效果

38、本发明提出一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，综合考虑血泵实际使用的外部环境、水力学性能表现、血泵内部血流动力学特性、血液损伤水平以及血泵输出血流对下游血管的生物力学影响，优化血泵的内部流体结构，包括导头、叶轮与导尾。

技术特征：

1.一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，其特征在于：包括血泵外部条件评估模块、血泵血流动力学高性能计算模块、血液损伤评价模块、血栓形成评价模块、下游血管冲击评价模块、多参数-多目标优化模块、快速成型模块与血流动力学快速评估模块；

2.根据权利要求1所述的一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，其特征在于：血泵外部条件评估模块根据式：

3.根据权利要求1所述的一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，其特征在于：血泵血流动力学高性能计算模块根据式：

4.根据权利要求1所述的一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，其特征在于：血液损伤评价模块根据式：

5.根据权利要求1所述的一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，其特征在于：血栓形成评价模块根据式：

6.根据权利要求1所述的一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，其特征在于：血管冲击评价模块根据式：

7.根据权利要求1所述的一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，其特征在于：所述多参数-多目标优化模块将血泵流体结构参数，主要包括：导头的叶形，叶片高度、导头锥度、叶轮叶片高度，叶片数量、叶片扭转角度、轮毂比例，导尾叶形，叶片数量，导尾锥度，作为优化的特征，将血泵的水力学效率、压力与流量关系、血液损伤水平、血栓形成风险、血管冲刷程度指标等作为优化目标，采用多目标优化与神经网络相结合的方法，迭代调节血泵的流体结构参数，以达到目标的最优化。

8.根据权利要求1所述的一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，其特征在于：所述快速成型模块根据多参数-多目标优化模块确定的血泵流体参数，采用三维快速成型技术制作血泵的样机，打印采用双组份材料，组分a为光固化数值材料用于构建血泵的整体结构，组分b为不溶于水的油性材料，用于覆盖在血泵流体结构表面，用于后续评价血流对血泵流体结构的冲刷作用。

9.根据权利要求1所述的一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，其特征在于：所述血流动力学快速评估模块由三维激光粒子成像设备、生理脉动血流平台组成，用于血泵样机的快速血流动力学测试，测试过程中，生理脉动血流平台首先产生真实的脉动血流环境，当血泵样机工作状态稳定后，采用三维激光粒子成像设备对血泵的内部流动情况进行高性能拍摄，后期通过算法获得血泵内部的血流流动情况，在实验结束后，拆卸血泵，采用光学显微镜测量血泵导头、叶轮与导尾表面的组分b图层的厚度变化，根据厚度变化评价血液对血泵流体结构的冲刷强度，进而判断易发生血液损伤与血栓形成区域。

技术总结
一种基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，生物医学工程领域。包括血泵外部条件评估模块、血泵血流动力学高性能计算模块、血液损伤评价模块、血栓形成评价模块、下游血管冲击评价模块、多参数‑多目标优化模块、快速成型模块与血流动力学快速评估模块。为了优化血泵的血流动力学效果，提升血泵的水力学性能，改善血泵临床使用过程中出现的血液损伤、血栓形成以及下游血管的并发症，本发明提出基于血流动力学与生物学耦合的血泵设计与优化系统，综合考虑血泵实际使用的外部环境、水力学性能表现、血泵内部血流动力学特性、血液损伤水平以及血泵输出血流对下游血管的生物力学影响，优化血泵的内部流体结构，包括导头、叶轮与导尾。

技术研发人员：常宇,高斌
受保护的技术使用者：利为惠德无锡医疗科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12