一套基于ANSYS医疗血泵生物相容性能仿真优化设计攻略

导读：大家好，我是仿真秀专栏作者——BetterMan6，硕士毕业于哈尔滨工业大学，多年医疗器械CFD仿真经验，熟悉ECMO（体外膜肺氧合系统）、人工心脏（VAD）、血液透析耗材（CRRT）、血管支架等与血液接触器械的仿真分析。通过仿真优化医疗器械的血液相容性能、提高气体交换效率、提高血液学净化/传递效率。擅长血液流体、流-固耦合分析。主要使用Fluent、CFX、OpenFOAM等仿真软件,具有丰富的的UDF\UDS开发经验。

近日，我原创首发的视频教程《基于ANSYS的ECMO/PVAD/LVAD医用血泵装置生物相容性能仿真优化设计》终于登录仿真秀官网和APP(见下文)。与此同时，我将在仿真秀为全国高校课题组、企业提供相关技术培训和咨询服务，欢迎联系我们。‍

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一、写在文前

为满足为HF患者提供循环支持的需求，过去几十年来发展了左心室辅助装置（LVAD）。如今，LVADs在医院中常规使用，不仅作为心肌康复或心脏移植的桥梁，还作为目标治疗。LVAD疗法的成功归因于连续流动LVADs（CF-LVAD）的出现，这些设备体积小、非常耐用，并且与早期脉动LVADs相比具有较低的体积和重量。与早期脉动设备相比，使用这些CF-LVADs的临床结果更为优越。然而，目前CF-LVAD设备仍然广泛存在与溶血、血栓有关的临床事件。

左心室辅助装置（LVAD）和体外膜肺氧合（ECMO）都是心血管支持系统，用于治疗严重心脏或肺部功能衰竭的患者。LVAD的主要目的是提供对心脏的辅助，通常是通过植入一种或多种泵来提高心脏的排血能力。而ECMO的主要目的是提供全身氧合和二氧化碳排除，通常包括心脏和肺的支持。

除了LVAD及ECMO意外，血泵还通常被应用在PVAD设备中，下图是三种常见的应用场景。这三种装置中的血液泵都有一个共同的基本功能，即通过机械手段将血液从心脏或体外引入装置，然后将其送回体内，以维持或辅助心脏和循环功能。不同的装置在实际应用和功能上有所不同，但血液泵在其中都起到关键的作用。

在血液泵中，高非生理性剪切应力被认为是血栓形成的主要原因。泵体内部的低流速区域、轴承接触材料表面产生的热量以及轴承材料的磨损被认为是导致LVAD中观察到的血栓并发症的原因。活化的凝血因子和血小板可能在低效冲洗区域（即低俗区域）积聚。因此，近年来提出了最新一代的磁悬浮血泵，这些血泵利用磁力悬浮技术，通过磁场将叶片悬浮在固定的位置，从而减少机械磨损和摩擦。与传统的机械轴承相比，磁悬浮技术可以减少患者体内的机械损伤，提高设备的耐久性和性能。

二、评价血液泵剪切应力的理论公式

计算流体力学（CFD）在血液泵优化中发挥着重要作用。通过模拟和分析离心血泵内的流体动力学行为，CFD能够提供有关流速、压力、剪切力等关键参数的详细信息。这有助于工程师们精确了解离心血泵的性能特征，并通过调整设计参数，如叶片形状、进口和出口几何形状等，进行优化。通过CFD模拟，工程师们能够有效预测并改进血液泵的流体力学性能，以提高效率、减小耗能和减轻对血液的剪切力，最终为临床使用提供更安全可靠的心血管支持。

溶血HI图来源于我的仿真秀视频课程

《基于ANSYS的ECMO/PVAD/LVAD装置生物相容性能仿真优化设计》

在血液泵内部非生理剪切应力（NPSS）已被证明会对血细胞造成损伤。因此，如何从模拟流场中导出粘性标量剪应力（SSS）是评价血液泵溶血性能关键，剪切应力（SS）是指流体中相邻层之间由于速度梯度而引起的相对滑移。剪切应力通常分为几种类型，主要取决于流体的性质和流动的条件。以下是在CFD中常见的几种剪切应力：

1、黏性剪切应力（Viscous Shear Stress）：由于流体的黏性而产生的剪切应力。黏性剪切应力是流体内部相邻层之间的相对运动引起的，其大小与流体黏性成正比。

2、湍动剪切应力（Turbulent Shear Stress）：在湍流条件下，湍动运动引起的额外剪切应力。湍动剪切应力通常是由于湍流涡旋和不规则的速度场引起的，这与流体的湍动性质有关。

在血液泵的溶血计算中通常以粘性剪切应力作为评判标准，根据所参考剪切应力分量的不同，公式各项组成有所不同，本文列出以下两种形式，并取公式1作为案例进行示范。

公式1：

公式2：

式中：

• τ_ij表示为剪切应力张量

• τ_ij=μ(∂u_i/∂x_j+∂u_j/∂x_i)，

• τ_ii=−p+2μ∂u_i/∂x_j−2/3μ∇∙u

• ∂u_i/∂x_j表示：速度V在i轴分量对笛卡尔坐标系x下j轴的导数

• σ表示正应力

• τ表示切应力

• ∑在张量分析中表示求和。

三、在CFD-POST中如何提取标量剪切应力（SSS）

在血液泵的溶血计算中，我们通常采用ANSYS平台中的CFX或FLUENT软件，二者在计算完成后均可以通过CFD-POST进行后处理。CFD-POST是ANSYS Fluent软件套件中的后处理工具，用于分析和可视化计算流体力学（CFD）模拟结果。

在CFD-POST中提取标量剪切应力（SSS，Scalar Shear Stress）通常涉及设置合适的变量和公式。在下述课程中提供CCL命令文件可实现快速导入Expression：

也可通过以下操作过程进行设置：

1、导入计算结果：在完成CFX/Fluent模拟后，使用CFD-POST来加载模拟结果文件（.res或者.dat文件）。

在这里以下述课程中FDA BenchMark血液泵为例，导入CFD-POST后即可显示泵体几何：

图：FADBenchMark基准血泵

2、设置标量剪切应力公式：一旦创建了新的标量变量，需要设置用于计算标量剪切应力的公式。这通常涉及使用速度梯度的相关项。以下是一般的示例：

在“Insert”树中，选择“Expressions”：

在“Expressions”对话框中，输入变量名称“t1”,点击“OK”创建新的表达式。并依次完成剪切应力分量t1、t2、t3表达式的创建：

最后，在“Expressions”对话框中创建标量剪切应力“SSS”的定义公式：

在完成SSS的 “Expression”公式定义后，插入计算标量剪切应力的“Variable”变量表达式：

在弹出的对话框中输入“ScalarShearStress”作为变量名，并确认：

定义“ScalarShearStress”标量的属性如下：

至此，已完成SSS的标量定义，下面继续显示设置。

3、显示结果：在CFD-POST中，主要通过“Volume”功能进行不同SSS大小区域的显示，下面以显示血液泵中标量剪切应力大小在20~50Pa区间为例。

插入“Volume”模块，并设置默认名称后点击OK确认。

在”Volume”中进行显示方法、显示变量及颜色设置，也可根据需求，进行不同标量的设置：

完成设置后，点击“Apply”，此时窗口中即显示血液泵在所定义的SSS公式20~50Pa区间的血液区域：

图：20~50Pa区间的SSS分布

同时，也可对不同区间的SSS分别进行叠加显示：

图：分别显示不同应力大小区间的SSS分布

4、导出应力分布：如果需要导出标量剪切应力的结果，可以使用CFD-POST中的导出功能。在“File”菜单下选择“Export”或者“Write to File”选项，根据需要选择导出位置和文件路径。

至此已完成在血液泵中的标量剪切应力显示及到处，该设置方法同样使用于与血液相关的其它医疗器械。

注：文章中所采用血液泵模型来源于课程：《基于ANSYS的ECMO/PVAD/LVAD装置生物相容性能仿真优化设计》详情见下文。

四、血液相接触医疗器械的生物相容性能仿真优化设计

近日，笔者在仿真秀原创首发了《基于ANSYS的ECMO/PVAD/LVAD装置生物相容性能仿真优化设计》设计仿真课程。

该课程详细介绍了如何采用CFD方法对与血液相接触的医疗器械进行生物相容性能仿真优化设计，在课程中采用美国食品药品监督管理局（FAD）公开的BenchMark血泵及商用血泵RF-32仿制模型作为基础，对血泵水力性能及溶血性能计算方法进行演示及验证。后续会加餐医疗中相关仿真的后处理操作，并且提供VIP群互动交流和知识圈答疑服务。