用于心肺脑复苏(CPCR)的离心血泵的优化设计
作者：裴觉民 谭小苹 陈克纲 李晓宁
单位：(四川大学 工程力学系，成都 610065)
关键词：离心血泵；心肺脑复苏；设计优化
生物医学工程学杂志000211 摘要 提出了心肺脑复苏(Cardiopulmonary cerebral resuscitation, CPCR)机中重要部件——离心血泵的要求，对现有不同血泵进行比较与分析，提出初步的优化方案，给出了心肺复苏用泵的优化结构，并在此基础上对自行设计研制的泵的性能进行了测试，初步实验结果表明该泵的性能良好，其水力学性能满足心肺脑复苏机的需要。
Design and Optimization of a Centrifugal Pump for CPCR
Pei Juemin Tan Xiaoping Chen Kegang Li Xiaoning
, 百拇医药
(Department of Engineering Mechanics, Sichuan University，Chengdu 610065)
Abstract Requirements for an optimal centrifugal pump, the vital component in the equipment for cardiopulmonary cerebral resuscitation(CPCR), have been presented. The performance of the Sarns centrifugal pump (Sarns, Inc./3M, Ann arbor, MI, U.S.A) was tested. The preliminarily optimized model for CPCR was designed according to the requirements of CPCR and to the comparison and analysis of several clinically available centrifugal pumps. The preliminary tests using the centrifugal pump made in our laboratory(Type CPCR-Ⅰ) have confirmed the design and the optimization.
, 百拇医药
Key words Centrifugal pump Cardiopulmonary cerebral resuscitation Design optimization
1 前 言
由于急救的需要，以便在短时间内为心跳骤停的病人建立体外循环，并对大脑给予重点供血，因此研制与开发心肺脑复苏(CPCR)装置极为重要[1]，近十几年来国内外学者对复苏的深入研究，加深了对复苏概念的新的认识，即将脑复苏放在复苏的首位，变心肺复苏(CPR)为心肺脑复苏(CPCR)[2]。
离心血泵是复苏装置的重要组成部分，它的结构参数决定着进入血管的血液流量和压力及对血液的损伤。近年来，离心血泵技术发展迅速，多数离心血泵的每一型号常常是针对某一用途设计的，故泵的形式为多种多样[3～5、8，9]。临床上现有的离心泵主要用于心肺旁路(CPB)或心室辅助(VAD)，前者压力、流量均较大；后者虽流量大，但压力小。目前还没有专门用于心肺脑复苏的离心血泵。
, 百拇医药
设计离心血泵，一要保证血泵有足够的压力与流量，二要使得血泵对血液的破坏损很小，三要减小泵头的预充量。此外，因其为一次性使用产品，应结构简单，成本低廉。
作者提供了集新型膜肺技术、亚低温技术、离血心泵技术为一体的，辅以肝素涂附技术和血液分流技术的心肺脑复苏装置[2]。从泵的设计原理出发，考虑泵的几何形状及参数对凝血、溶血的影响，分析现有的血泵工作曲线，设计用于心肺脑复苏用的离心血泵。该泵采用磁耦合形式驱动泵头，并考虑泵头的可互换性，使美国3M公司的泵头能与该泵座匹配。
2 对心肺脑复苏用离心血泵的技术要求
2.1 流量要求
设想的离心血泵从身体的浅表血管取血，以避免大的外科手术。不仅为身体供血，而且强调脑供血。由于股静脉离大脑比较远，故不仅从股静脉取血供应体循环，还应从离大脑较近的颈静脉取血供应脑循环。脑循环与体循环从生理上在体外本互相联系，在体外循环的建立中则通过压力信号自动控制流往股静脉与颈静脉的流量。参考有关生理书籍及人体股静脉与颈静脉的几何尺度，其总流量取为4～5 L/min，最大设计流量不超过6 L/min。脑的供血量仅占其中的1/4左右。
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2.2 压力要求
除了离心血泵外，心肺脑复苏循环系统中还有换热器和膜肺。实验表明：在流量达6 L/min时，换热器、人工肺压降达50 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)。又因心肺脑复苏经皮穿刺进行支持，其中插管处的压头损失有40～50 mmHg左右，因进入动脉的血液压力须达110～120 mmHg，考虑体外循环的管路压力损失，故当泵转速为2 100r/min时扬程取为250 mmHg。
2.3 对血细胞损伤程度的要求
即血液相容性的要求。对此目前尚未有明确的规定，总之越小越好。根据Nevaril等人[6]的研究，当剪切应力大于1 500 dyne/cm2时，红细胞则开始遭到破坏。在高剪切速率下的持续时间也影响红细胞的破坏程度。此外血流强湍动、空穴及流体分离现象都可造成红细胞损坏。为减少这种破坏，应在泵的设计中考虑泵的转速、叶片或叶轮形状、叶片与泵壳之间的间隙等因素，并采用血液相容性好的材料，制作中要求较高的表面光洁度。
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3 现有离心血泵的比较与分析
离心泵的流场十分复杂。目前我们在离心泵的设计中，除编制程序，对流场进行数值计算外(见另文)，一个非常重要的方法是根据泵的相似分析理论，对已有泵型的特性参数进行分析，从中确定自己的泵型。对于离心血泵来说，研究者关心的是泵的压力流量特性及对血液的损伤情况。
我们根据有关文献收集整理了NIPPON-MED泵、Sarns泵，C1E3、PPM50-V4泵等多种血泵的结构参数[3～5，8，9]，(如表1所示)。可以看出，这几种血泵均属低比转速泵。
根据相似理论，将NIPPON-MED在直径为50 mm、转速为200 rpm的H-Q线和PPM50-V4在直径为50 mm、转速为2 000 rpm的H-Q线化为64 mm、2 100 rpm下的曲线，得到图1所示的H-Q曲线，以便比较。
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在图1中，当流量为1 L/min时，Sarns曲线出现驼峰，这表明该泵在低流量下运行时性能可能不稳定。
表1 血泵结构参数
Table 1 Description of the pumps Dimension
Sarns
Nippon-med
C1E3
PPM50-V4
Impeller diameter(mm)
64
50
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68
50
Housing diameter(mm)
76
66
85
Height(mm)
60
57
45
Vane number
6
6
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6
6
Specific speed
26
41
27
38
Inflow angle(度)β1
68
48
71
52
Outflow angle(度)β2
, 百拇医药
84
84
83
80
Use
CPB
CPB
CPB,LVAD
CPB
图1 不同泵型的H-Q线比较
Fig 1 Pressure head vs flow rate of four types of the blood pump
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从图1还可看出，Sarns泵的曲线比其余曲线均陡。根据泵的理论，影响H-Q曲线陡度的是泵出口角β2。然而由表1可以看出，四种泵的出口角度差别不大，这说明影响H-Q曲线的因素较多。对于心肺脑复苏，须针对不同病人，将压力、流量控制在某一恒定水平。
如果因管道堵塞等原因引起泵出口压力增高，希望泵流量下降幅度大一些，这样从泵的特性角度H-Q线平缓一点为好。(尽管用控制电机速的方法也可实现对流量的控制)。此外Sarns泵的预充量较大。
从血液破坏角度来看，根据Kenji Araki等人[7]的研究，Sarns泵对血液的损伤较大，IH(Index of hemolysis)=0.04，而其它的泵如BIO-Medicus Bp-80, Nikkiso HMs-15只有0.005。
4 离心血泵结构参数的选取和优化
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目前均采用磁耦合形式带动叶轮旋转，以便将泵的旋转部分与电机传动部分分离。泵旋转部分的定位有磁悬浮式、轴承式及轴窝式。因轴承密封问题使漏血现象时有发生，血液易在轴承部分受损；磁悬浮消除了旋转部分与支撑点因直接接触而产生的摩擦，但在制造方面上的精度与成本方面要求较高，故采用轴窝式，既避免了血液渗漏问题，也降低了成本。只要在流路设计上考虑轴窝附近的血液流动及轴、轴窝材料的血液相容性，则可减少因摩擦而产生的血液损伤。
影响泵的性能的参数有：叶轮形态及直径、叶片数目及形状、叶片进出口角度、泵进出口直径、叶片宽度、泵室形状、叶轮底部副叶片或流槽的形式、轮盘形状、平衡孔等很多参数，而且参数之间相互影响，现在所用的公式多为半经验公式，须用实验统计值进行修正。在改善泵的溶血凝血问题上，也须以实验结果为基础。我们对不同泵的结构参数进行分析比较，选出最佳参数。
4.1 泵的比转速
比转速是在相似定律的基础上导出的一个包括流量、扬程和转数在内的综合特征数，它是计算泵结构参数的基础。根据心肺脑复苏机用泵的性能要求，比转速计算如下：
(1)
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其中：n为转速(rpm);Q为流量(m3/s)；H为扬程(m水柱)。该泵也属于低比转速泵。
4.2 叶轮及叶片形状
目前血泵叶轮有敞开式、半闭式及闭式三种形式。分析叶轮轮盘与血液损失资料[8]后可看出，在两侧无盖板的敞式叶轮流道中，流体易在叶片间形成回流，故对血液有破坏作用。吸入口侧叶片上无前盖板的半闭式叶轮在叶片间产生的回流大大减少，对血液破坏作用减轻，且预充量小于开启式。闭式叶轮结构复杂，血液接触面大，所以采用半闭式叶轮。根据该泵比转速低的特点，兼顾磁耦合磁芯的布置，采用一双曲线作为轮盘旋转母线。
叶轮底部的形状也至关重要。若流动状况不好，易形成血液滞留区，从而引发血栓的形成。根据Yasuhisa等人[9]的研究结果，溶血系数(The normalized index of hemolysis，NH)随叶轮底部加副叶片数量的增加而上升；采用槽形流道，有利于改善叶轮底部流动状况，使溶血系数低于无副叶片的情况。故本设计采用流槽形式。此外叶轮上合理布置平衡孔，不仅可减少轴向受力，而且也可改善叶轮两侧流态。
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Schima H[10]研究了叶片的三种形式：弯曲叶片、径向直叶片、偏置直叶片，发现要达到同样压头与流量，径向直叶片所需转速最低，偏置直叶片与之相近，弯曲叶片所需转速最高。此外直叶片对血液损伤最小。故选取偏置直叶片，且定为6片。
4.3 叶轮叶片主要尺寸
(1)叶片进出口角：
叶片出口角β2对H-Q线的影响要比叶片进口角β1对其影响大。对于直叶片泵来说，在叶片直径和叶轮进口直径确定的情况下只要确定出口角度，进口角度则随之确定。对于血泵而言，由于Schima的工作已表明大出口角度的优越性，(这与水泵不一样，水泵注重效率，血泵注重对血液的破坏问题)，故选叶片出口角β2为83°；
(2)叶轮直径、叶轮进口直径、叶片出口宽度：
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叶轮直径D2是影响泵扬程的最重要因素。我们假定β2等某些参数为定值，根据泵理论，压出室的水力损失大致和叶轮出口的绝对速度平方成正比，为了减小压出室的水力损失，应减小叶轮出口的绝对速度C2。由泵出口速度三角形及欧拉方程，得泵出口绝对速度C2的表达式为：
(2)
式中：ηh为水力效率(用于表征水力损失大小)；H为扬程给定参数；β2和ηh作为常数处理，所以C2仅是叶轮出口牵连速度u2的函数。为了求C2最小时的u2，即令
，由
代入上式，得
(3)
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根据统计资料
(4)
将nS=26.6代入(4)式，得KD2=15.4，将KD2代入(3)式可得叶轮直径D2=58 mm。
从减小进口的冲击损失和流道扩散损失考虑，从使入口相对速度w1最小的观点选取叶轮进口直径。
(5)
其中：K0为根据统计资料取得系数；K0=3.5～4.0。取K0=3.7，可得D0=13mm叶轮出口宽度b2可表示为
(6)
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其中：Z为叶片数；ηv为容积效率；cm2为流体在叶轮出口的轴面速度；L2为叶片出口处圆周方向厚度；
(其中δ2为叶片出口处厚度)。但由(6)式得出的叶片出口宽度偏小，统计叶轮直径50～70 mm的泵其叶片出口宽度在3.5～4.0 mm之间，故取3.6 mm。
4.4 其它尺寸的考虑
(1)叶片进口边相对位置的选择：叶片进口延伸，增大了叶片的面积，使相同扬程下叶片单位面积上的载荷减小；同时因进口边上各点的所在半径减小，使进口处圆周速度和相应的相对速度减小，损失也减小，从而使扬程曲线形状平坦些，减轻了驼峰，有利于运行。但叶片进口边朝叶轮进口不能延伸过都多，否则会造成流道的堵塞，形成血栓。此外，叶片进口边相对位置还与泵入口的导流方式有关。以叶片边线与轴线的夹角δ来衡量，离心血泵作为低比转数泵，其δ角较小。由于不同血泵的入口导流方式区别很大，δ一般在0°～30°以内。我们的离心血泵取为30°。
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(2)离心泵吸入口与出口的考虑：离心血泵入口方式多样，有斜交入口式，但多数采用直锥入口。逐渐放大的锥形入口与导流锥相配合，可以稳定液流，使液流以较均匀的速度进入叶轮，减少损失。本文采用某曲线方程厍工锥形入口及导流锥，防止血栓在锥顶部产生。泵出口采用以锥度为6°角度扩散。
(3)叶片顶端与泵腔的距离选择：Schima H[10]的研究表明，离心血泵的叶片顶端与泵腔之间距离对血泵的水力学性能和抗血液损坏能力均有一定的影响。叶片顶端与泵腔之间距离过大或过小，对血液的损伤都比较大，当此距离适当时，血泵对血液的损坏有一最小值。所以泵取间隙为1.5 mm。
分析国外泵型的几何特征及其工作特性、血液损伤情况，结合心脑肺复苏对泵的要求，经过分析计算，我们设计一泵头，采用磁体交替变化的环形磁铁相互耦合。以血液相容性较好的聚四氟乙烯为轴窝。
5 心肺脑复苏用离心血泵的压力流量实验测定
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以水为介质，对主要基于以上选择法并参考数值计算结果所设计与研制的心肺脑复苏用离心血泵(CPCR-Ⅰ型)进行初步的水力学性能测试。实验结果如图2所示。该图表明，该泵的压力、流量特性符合设计要求，并达到了国际通用离心血泵的性能指标。对血液损伤方面的实验将在今后的动物试验中测定。
图2 CPCR-1泵的H-Q实验曲线
Fig 2 Pressure head vs flow rate of CPCR-1 pump
6 结 论
我们对比分析国外多种血泵泵型，给出了离心血泵优化的依据，从消减驼峰，减小预充量，改进泵对血液的损伤的角度出发，运用泵设计的基本理论，结合心脑肺复苏对泵的压力流量要求，设计符合心脑肺复苏用泵头。采用轴窝式支撑消除了离心血泵中的轴封，解决了血液在此处渗漏造成的短寿问题。选择适当的耦合磁力，离心血泵可在常用转速范围内工作时处于悬浮状态，使上下轴窝受压很小，磨损很小。改进轮盘底部流槽可改善血液在轮盘后的流动状况，减少血栓的形成。采用弧线形轮盘，进口处入口锥度与导流锥的配合，将减少了血液在入口处的能量损失。泵的预充量将比Sarns泵大为减少。所设计的离心血泵可满足心肺脑复苏机的需要。用自制离心血泵进行的初步测试证实了这一点。
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国家自然科学基金资助项目(39670211)
参考文献
1，Safar P, Bircher NG. Cadiopulmonary Cerebral Resuscitation, 3rd ed, W.B.Saunders Co. Ltd. 1988
2，王 建，王利春，谭小苹等.心肺脑复苏的研究与应用.生物医学工程学杂志，1998；15(1)：73
3，Yoshinari Wakisaka, Yoshiyuki Taenaka, Kenzi Araki. Effects of Self Washout Structure on the Antithrombogenicity and the Hemolytic Properties of a Centrifugal Pump. Artif Organs. 1997; 21(2)∶148
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4，Tatsuya Sasaki, Tomoki Jikuya, Takeshi Aizawa. A Compact Centrifugal Pump for Cardiopulmonary Bypass. Artif Organs. 1992; 16(6)∶592
5，Tomoaki Jikuya, Tatsuya Sasaki, Takeshi Aizawa, Development of an Atraumatic Small Certrifugal Pump for Second-Generation Cardiopulmonary Bypass. Artif Organs, 1992; 16(6)∶599
6，Reul H. Blood Pumps-General Design Considerations. Adv. cardiovasc. Phys vo15(Part 5); 55～71
, 百拇医药
7，Kenji Araki, Yoshiyuki Taenaka, Toru Masuzawa. Hemolysis and Heat Generation in Six Different Thypes of Centrifugal Blood Pumps. Artif Organs. 1995; 19(9)∶928
8，Takashi Yamane, Masahiro Nishida, Balazs Asztalos. Fluid Dynamic Characteristic of Mono-Pivot Magnetic Suspension Blood Pumps, ASAIO Journal 1997; 43∶M635～M638
9，Yasuhisa Ohara, Mitsuya Murase, Yukihiko Nose. Hemolytic Effect of the Secondary vane Incorporated into the Back side of the Impeller, Artif Organs， 1997; 21(7):694
10，Schima H, Muller MR, Papantonis D. Minimization of Hemolysis in Centrifugal Blood Pumps:Influence of Different Geometries. Int. J Artif Organs, 1993; 16:521
(收稿：1998-11-13 修回：1999-06-30), 百拇医药
单位：(四川大学 工程力学系，成都 610065)
关键词：离心血泵；心肺脑复苏；设计优化
生物医学工程学杂志000211 摘要 提出了心肺脑复苏(Cardiopulmonary cerebral resuscitation, CPCR)机中重要部件——离心血泵的要求，对现有不同血泵进行比较与分析，提出初步的优化方案，给出了心肺复苏用泵的优化结构，并在此基础上对自行设计研制的泵的性能进行了测试，初步实验结果表明该泵的性能良好，其水力学性能满足心肺脑复苏机的需要。
Design and Optimization of a Centrifugal Pump for CPCR
Pei Juemin Tan Xiaoping Chen Kegang Li Xiaoning
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(Department of Engineering Mechanics, Sichuan University，Chengdu 610065)
Abstract Requirements for an optimal centrifugal pump, the vital component in the equipment for cardiopulmonary cerebral resuscitation(CPCR), have been presented. The performance of the Sarns centrifugal pump (Sarns, Inc./3M, Ann arbor, MI, U.S.A) was tested. The preliminarily optimized model for CPCR was designed according to the requirements of CPCR and to the comparison and analysis of several clinically available centrifugal pumps. The preliminary tests using the centrifugal pump made in our laboratory(Type CPCR-Ⅰ) have confirmed the design and the optimization.
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Key words Centrifugal pump Cardiopulmonary cerebral resuscitation Design optimization
1 前 言
由于急救的需要，以便在短时间内为心跳骤停的病人建立体外循环，并对大脑给予重点供血，因此研制与开发心肺脑复苏(CPCR)装置极为重要[1]，近十几年来国内外学者对复苏的深入研究，加深了对复苏概念的新的认识，即将脑复苏放在复苏的首位，变心肺复苏(CPR)为心肺脑复苏(CPCR)[2]。
离心血泵是复苏装置的重要组成部分，它的结构参数决定着进入血管的血液流量和压力及对血液的损伤。近年来，离心血泵技术发展迅速，多数离心血泵的每一型号常常是针对某一用途设计的，故泵的形式为多种多样[3～5、8，9]。临床上现有的离心泵主要用于心肺旁路(CPB)或心室辅助(VAD)，前者压力、流量均较大；后者虽流量大，但压力小。目前还没有专门用于心肺脑复苏的离心血泵。
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设计离心血泵，一要保证血泵有足够的压力与流量，二要使得血泵对血液的破坏损很小，三要减小泵头的预充量。此外，因其为一次性使用产品，应结构简单，成本低廉。
作者提供了集新型膜肺技术、亚低温技术、离血心泵技术为一体的，辅以肝素涂附技术和血液分流技术的心肺脑复苏装置[2]。从泵的设计原理出发，考虑泵的几何形状及参数对凝血、溶血的影响，分析现有的血泵工作曲线，设计用于心肺脑复苏用的离心血泵。该泵采用磁耦合形式驱动泵头，并考虑泵头的可互换性，使美国3M公司的泵头能与该泵座匹配。
2 对心肺脑复苏用离心血泵的技术要求
2.1 流量要求
设想的离心血泵从身体的浅表血管取血，以避免大的外科手术。不仅为身体供血，而且强调脑供血。由于股静脉离大脑比较远，故不仅从股静脉取血供应体循环，还应从离大脑较近的颈静脉取血供应脑循环。脑循环与体循环从生理上在体外本互相联系，在体外循环的建立中则通过压力信号自动控制流往股静脉与颈静脉的流量。参考有关生理书籍及人体股静脉与颈静脉的几何尺度，其总流量取为4～5 L/min，最大设计流量不超过6 L/min。脑的供血量仅占其中的1/4左右。
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2.2 压力要求
除了离心血泵外，心肺脑复苏循环系统中还有换热器和膜肺。实验表明：在流量达6 L/min时，换热器、人工肺压降达50 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)。又因心肺脑复苏经皮穿刺进行支持，其中插管处的压头损失有40～50 mmHg左右，因进入动脉的血液压力须达110～120 mmHg，考虑体外循环的管路压力损失，故当泵转速为2 100r/min时扬程取为250 mmHg。
2.3 对血细胞损伤程度的要求
即血液相容性的要求。对此目前尚未有明确的规定，总之越小越好。根据Nevaril等人[6]的研究，当剪切应力大于1 500 dyne/cm2时，红细胞则开始遭到破坏。在高剪切速率下的持续时间也影响红细胞的破坏程度。此外血流强湍动、空穴及流体分离现象都可造成红细胞损坏。为减少这种破坏，应在泵的设计中考虑泵的转速、叶片或叶轮形状、叶片与泵壳之间的间隙等因素，并采用血液相容性好的材料，制作中要求较高的表面光洁度。
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3 现有离心血泵的比较与分析
离心泵的流场十分复杂。目前我们在离心泵的设计中，除编制程序，对流场进行数值计算外(见另文)，一个非常重要的方法是根据泵的相似分析理论，对已有泵型的特性参数进行分析，从中确定自己的泵型。对于离心血泵来说，研究者关心的是泵的压力流量特性及对血液的损伤情况。
我们根据有关文献收集整理了NIPPON-MED泵、Sarns泵，C1E3、PPM50-V4泵等多种血泵的结构参数[3～5，8，9]，(如表1所示)。可以看出，这几种血泵均属低比转速泵。
根据相似理论，将NIPPON-MED在直径为50 mm、转速为200 rpm的H-Q线和PPM50-V4在直径为50 mm、转速为2 000 rpm的H-Q线化为64 mm、2 100 rpm下的曲线，得到图1所示的H-Q曲线，以便比较。
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在图1中，当流量为1 L/min时，Sarns曲线出现驼峰，这表明该泵在低流量下运行时性能可能不稳定。
表1 血泵结构参数
Table 1 Description of the pumps Dimension
Sarns
Nippon-med
C1E3
PPM50-V4
Impeller diameter(mm)
64
50
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68
50
Housing diameter(mm)
76
66
85
Height(mm)
60
57
45
Vane number
6
6
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6
6
Specific speed
26
41
27
38
Inflow angle(度)β1
68
48
71
52
Outflow angle(度)β2
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84
84
83
80
Use
CPB
CPB
CPB,LVAD
CPB
图1 不同泵型的H-Q线比较
Fig 1 Pressure head vs flow rate of four types of the blood pump
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从图1还可看出，Sarns泵的曲线比其余曲线均陡。根据泵的理论，影响H-Q曲线陡度的是泵出口角β2。然而由表1可以看出，四种泵的出口角度差别不大，这说明影响H-Q曲线的因素较多。对于心肺脑复苏，须针对不同病人，将压力、流量控制在某一恒定水平。
如果因管道堵塞等原因引起泵出口压力增高，希望泵流量下降幅度大一些，这样从泵的特性角度H-Q线平缓一点为好。(尽管用控制电机速的方法也可实现对流量的控制)。此外Sarns泵的预充量较大。
从血液破坏角度来看，根据Kenji Araki等人[7]的研究，Sarns泵对血液的损伤较大，IH(Index of hemolysis)=0.04，而其它的泵如BIO-Medicus Bp-80, Nikkiso HMs-15只有0.005。
4 离心血泵结构参数的选取和优化
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目前均采用磁耦合形式带动叶轮旋转，以便将泵的旋转部分与电机传动部分分离。泵旋转部分的定位有磁悬浮式、轴承式及轴窝式。因轴承密封问题使漏血现象时有发生，血液易在轴承部分受损；磁悬浮消除了旋转部分与支撑点因直接接触而产生的摩擦，但在制造方面上的精度与成本方面要求较高，故采用轴窝式，既避免了血液渗漏问题，也降低了成本。只要在流路设计上考虑轴窝附近的血液流动及轴、轴窝材料的血液相容性，则可减少因摩擦而产生的血液损伤。
影响泵的性能的参数有：叶轮形态及直径、叶片数目及形状、叶片进出口角度、泵进出口直径、叶片宽度、泵室形状、叶轮底部副叶片或流槽的形式、轮盘形状、平衡孔等很多参数，而且参数之间相互影响，现在所用的公式多为半经验公式，须用实验统计值进行修正。在改善泵的溶血凝血问题上，也须以实验结果为基础。我们对不同泵的结构参数进行分析比较，选出最佳参数。
4.1 泵的比转速
比转速是在相似定律的基础上导出的一个包括流量、扬程和转数在内的综合特征数，它是计算泵结构参数的基础。根据心肺脑复苏机用泵的性能要求，比转速计算如下：
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其中：n为转速(rpm);Q为流量(m3/s)；H为扬程(m水柱)。该泵也属于低比转速泵。
4.2 叶轮及叶片形状
目前血泵叶轮有敞开式、半闭式及闭式三种形式。分析叶轮轮盘与血液损失资料[8]后可看出，在两侧无盖板的敞式叶轮流道中，流体易在叶片间形成回流，故对血液有破坏作用。吸入口侧叶片上无前盖板的半闭式叶轮在叶片间产生的回流大大减少，对血液破坏作用减轻，且预充量小于开启式。闭式叶轮结构复杂，血液接触面大，所以采用半闭式叶轮。根据该泵比转速低的特点，兼顾磁耦合磁芯的布置，采用一双曲线作为轮盘旋转母线。
叶轮底部的形状也至关重要。若流动状况不好，易形成血液滞留区，从而引发血栓的形成。根据Yasuhisa等人[9]的研究结果，溶血系数(The normalized index of hemolysis，NH)随叶轮底部加副叶片数量的增加而上升；采用槽形流道，有利于改善叶轮底部流动状况，使溶血系数低于无副叶片的情况。故本设计采用流槽形式。此外叶轮上合理布置平衡孔，不仅可减少轴向受力，而且也可改善叶轮两侧流态。
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Schima H[10]研究了叶片的三种形式：弯曲叶片、径向直叶片、偏置直叶片，发现要达到同样压头与流量，径向直叶片所需转速最低，偏置直叶片与之相近，弯曲叶片所需转速最高。此外直叶片对血液损伤最小。故选取偏置直叶片，且定为6片。
4.3 叶轮叶片主要尺寸
(1)叶片进出口角：
叶片出口角β2对H-Q线的影响要比叶片进口角β1对其影响大。对于直叶片泵来说，在叶片直径和叶轮进口直径确定的情况下只要确定出口角度，进口角度则随之确定。对于血泵而言，由于Schima的工作已表明大出口角度的优越性，(这与水泵不一样，水泵注重效率，血泵注重对血液的破坏问题)，故选叶片出口角β2为83°；
(2)叶轮直径、叶轮进口直径、叶片出口宽度：
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叶轮直径D2是影响泵扬程的最重要因素。我们假定β2等某些参数为定值，根据泵理论，压出室的水力损失大致和叶轮出口的绝对速度平方成正比，为了减小压出室的水力损失，应减小叶轮出口的绝对速度C2。由泵出口速度三角形及欧拉方程，得泵出口绝对速度C2的表达式为：
(2)式中：ηh为水力效率(用于表征水力损失大小)；H为扬程给定参数；β2和ηh作为常数处理，所以C2仅是叶轮出口牵连速度u2的函数。为了求C2最小时的u2，即令
，由代入上式，得 (3), http://www.100md.com
根据统计资料
(4)将nS=26.6代入(4)式，得KD2=15.4，将KD2代入(3)式可得叶轮直径D2=58 mm。
从减小进口的冲击损失和流道扩散损失考虑，从使入口相对速度w1最小的观点选取叶轮进口直径。
(5)其中：K0为根据统计资料取得系数；K0=3.5～4.0。取K0=3.7，可得D0=13mm叶轮出口宽度b2可表示为
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其中：Z为叶片数；ηv为容积效率；cm2为流体在叶轮出口的轴面速度；L2为叶片出口处圆周方向厚度；
(其中δ2为叶片出口处厚度)。但由(6)式得出的叶片出口宽度偏小，统计叶轮直径50～70 mm的泵其叶片出口宽度在3.5～4.0 mm之间，故取3.6 mm。4.4 其它尺寸的考虑
(1)叶片进口边相对位置的选择：叶片进口延伸，增大了叶片的面积，使相同扬程下叶片单位面积上的载荷减小；同时因进口边上各点的所在半径减小，使进口处圆周速度和相应的相对速度减小，损失也减小，从而使扬程曲线形状平坦些，减轻了驼峰，有利于运行。但叶片进口边朝叶轮进口不能延伸过都多，否则会造成流道的堵塞，形成血栓。此外，叶片进口边相对位置还与泵入口的导流方式有关。以叶片边线与轴线的夹角δ来衡量，离心血泵作为低比转数泵，其δ角较小。由于不同血泵的入口导流方式区别很大，δ一般在0°～30°以内。我们的离心血泵取为30°。
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(2)离心泵吸入口与出口的考虑：离心血泵入口方式多样，有斜交入口式，但多数采用直锥入口。逐渐放大的锥形入口与导流锥相配合，可以稳定液流，使液流以较均匀的速度进入叶轮，减少损失。本文采用某曲线方程厍工锥形入口及导流锥，防止血栓在锥顶部产生。泵出口采用以锥度为6°角度扩散。
(3)叶片顶端与泵腔的距离选择：Schima H[10]的研究表明，离心血泵的叶片顶端与泵腔之间距离对血泵的水力学性能和抗血液损坏能力均有一定的影响。叶片顶端与泵腔之间距离过大或过小，对血液的损伤都比较大，当此距离适当时，血泵对血液的损坏有一最小值。所以泵取间隙为1.5 mm。
分析国外泵型的几何特征及其工作特性、血液损伤情况，结合心脑肺复苏对泵的要求，经过分析计算，我们设计一泵头，采用磁体交替变化的环形磁铁相互耦合。以血液相容性较好的聚四氟乙烯为轴窝。
5 心肺脑复苏用离心血泵的压力流量实验测定
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以水为介质，对主要基于以上选择法并参考数值计算结果所设计与研制的心肺脑复苏用离心血泵(CPCR-Ⅰ型)进行初步的水力学性能测试。实验结果如图2所示。该图表明，该泵的压力、流量特性符合设计要求，并达到了国际通用离心血泵的性能指标。对血液损伤方面的实验将在今后的动物试验中测定。
图2 CPCR-1泵的H-Q实验曲线
Fig 2 Pressure head vs flow rate of CPCR-1 pump
6 结 论
我们对比分析国外多种血泵泵型，给出了离心血泵优化的依据，从消减驼峰，减小预充量，改进泵对血液的损伤的角度出发，运用泵设计的基本理论，结合心脑肺复苏对泵的压力流量要求，设计符合心脑肺复苏用泵头。采用轴窝式支撑消除了离心血泵中的轴封，解决了血液在此处渗漏造成的短寿问题。选择适当的耦合磁力，离心血泵可在常用转速范围内工作时处于悬浮状态，使上下轴窝受压很小，磨损很小。改进轮盘底部流槽可改善血液在轮盘后的流动状况，减少血栓的形成。采用弧线形轮盘，进口处入口锥度与导流锥的配合，将减少了血液在入口处的能量损失。泵的预充量将比Sarns泵大为减少。所设计的离心血泵可满足心肺脑复苏机的需要。用自制离心血泵进行的初步测试证实了这一点。
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国家自然科学基金资助项目(39670211)
参考文献
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2，王 建，王利春，谭小苹等.心肺脑复苏的研究与应用.生物医学工程学杂志，1998；15(1)：73
3，Yoshinari Wakisaka, Yoshiyuki Taenaka, Kenzi Araki. Effects of Self Washout Structure on the Antithrombogenicity and the Hemolytic Properties of a Centrifugal Pump. Artif Organs. 1997; 21(2)∶148
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4，Tatsuya Sasaki, Tomoki Jikuya, Takeshi Aizawa. A Compact Centrifugal Pump for Cardiopulmonary Bypass. Artif Organs. 1992; 16(6)∶592
5，Tomoaki Jikuya, Tatsuya Sasaki, Takeshi Aizawa, Development of an Atraumatic Small Certrifugal Pump for Second-Generation Cardiopulmonary Bypass. Artif Organs, 1992; 16(6)∶599
6，Reul H. Blood Pumps-General Design Considerations. Adv. cardiovasc. Phys vo15(Part 5); 55～71
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7，Kenji Araki, Yoshiyuki Taenaka, Toru Masuzawa. Hemolysis and Heat Generation in Six Different Thypes of Centrifugal Blood Pumps. Artif Organs. 1995; 19(9)∶928
8，Takashi Yamane, Masahiro Nishida, Balazs Asztalos. Fluid Dynamic Characteristic of Mono-Pivot Magnetic Suspension Blood Pumps, ASAIO Journal 1997; 43∶M635～M638
9，Yasuhisa Ohara, Mitsuya Murase, Yukihiko Nose. Hemolytic Effect of the Secondary vane Incorporated into the Back side of the Impeller, Artif Organs， 1997; 21(7):694
10，Schima H, Muller MR, Papantonis D. Minimization of Hemolysis in Centrifugal Blood Pumps:Influence of Different Geometries. Int. J Artif Organs, 1993; 16:521
(收稿：1998-11-13 修回：1999-06-30), 百拇医药