羅良才

(湖南人文科技學院 能源與機電工程學院，湖南 婁底，417000)

無葉片泵的流量、壓力與最大壓力調(diào)節(jié)器作用剖析

羅良才

(湖南人文科技學院 能源與機電工程學院，湖南 婁底，417000)

本文對無葉片泵的輸出量、輸出壓力進行了詳細分析，并就最大壓力調(diào)節(jié)器的作用及必要性進行了探討。分析表明，無葉片泵的流量調(diào)節(jié)不影響泵的輸出壓力，輸出壓力可自動適應(yīng)泵入血液處血管的血壓。

無葉片泵；輸出壓力；血壓；血流量；最大輸出壓力

血液泵是體外膜肺氧合系統(tǒng)(extracorporeal membrane oxygenation，英文縮寫為ECMO)的主要構(gòu)件，用于將病人血液從靜脈血引出經(jīng)氧合器氧合并排除二氧化碳后泵入另一靜脈，簡稱V-V轉(zhuǎn)流；或?qū)⒀簭撵o脈血引出經(jīng)氧合器氧合并排除二氧化碳后泵入動脈，簡稱V-A轉(zhuǎn)流。ECMO是代表一個醫(yī)院，甚至一個地區(qū)、一個國家的危重癥急救水平的一門技術(shù)。目前發(fā)達國家使用的血液泵是離心泵[1]和軸流泵[2]，這二種類型的泵，都具有高速旋轉(zhuǎn)的葉片，對血液細胞存在機械損傷[3]，雖然歷經(jīng)不斷研究和改進，包括采用磁懸浮技術(shù)和優(yōu)化泵的設(shè)計，在減少泵內(nèi)血液潴留和機械損傷方面得到很大改善[4]。但由于泵內(nèi)葉片的存在，從根本上消除泵對血液的機械損傷是不可能的。

無葉片泵作為一種新型血液泵，因其具有對血液細胞機械損傷小，輸出壓力可自動適應(yīng)人體血壓，壓力調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)可獨立進行，不但可以用于ECMO系統(tǒng)，還可用于癌癥治療等特點，將具有良好的應(yīng)用前景。因此，有必要對其工作特性進行詳細分析，為泵的設(shè)計和使用提供科學依據(jù)。

1 輸出阻力恒定時泵的壓力變化分析

影響血液泵輸出阻力的除了轉(zhuǎn)流系統(tǒng)自身的阻力外，主要是人體血壓的高低，顯然，泵的輸出壓力必須大于向人體輸入血液處血管內(nèi)的血壓，血液方可經(jīng)泵輸入體內(nèi)。下面就泵的輸出全過程壓力變化情況進行分析：

圖1 泵在不同情況下的壓力變化曲線Fig. 1 The pressure curve of pump under different circumstances

如圖1(A)，設(shè)輸出過程中氣泵的活塞從左至右運動，且t=0-時活塞處于最左端的極限位置，內(nèi)膽中的空氣被全部抽空，血液泵外殼內(nèi)充滿血液，并假定泵血全程人體血壓處于收縮壓期間，則t=o+時活塞開始從左至右運動。根據(jù)流體不可壓縮原理，內(nèi)膽中沒有空氣輸入，空氣在氣缸內(nèi)被不斷壓縮，壓力不斷增大，此壓力通過內(nèi)膽傳遞給外殼中的血液。當t=t1時，壓力增大至大于人體血壓，輸出單向閥開啟，血液開始輸出，同時內(nèi)膽開始充入空氣，體積增大，適時填補因輸出血液外殼出現(xiàn)的空間。為了簡化分析，設(shè)內(nèi)膽的形狀與氣缸相同，為圓柱體，且內(nèi)徑相等。內(nèi)膽充氣時，只有右端面從左至右運動，那么，自時間t1開始，內(nèi)膽右端面從左至右的運動速度將相等。由于傳動機構(gòu)設(shè)計時保證了活塞做勻速運動，因此，內(nèi)膽右端面也作勻速運動，至t=t2時血液外殼中血液全部輸出。顯然，在t2-t1時間內(nèi)，血液泵輸出血壓和流速都不變，做恒壓、恒流輸出，如果氣缸的設(shè)計，使活塞在t=t2時，也達到活塞從左至右運動的終點，內(nèi)膽中氣體不再增加，其作用于外殼內(nèi)壁的壓力也不變。如果氣缸的設(shè)計，使活塞在t

整個壓力F(t)隨時間的變化過程如圖1(A)中曲線0abcf所示。圖中，在時間0～t1泵的壓力隨著活塞的運動，空氣被壓縮而持續(xù)增大，自t1開始輸出血液，至t2結(jié)束，期間，輸出壓力不變。自t2開始，內(nèi)膽體積不能再增大，內(nèi)膽氣壓隨活塞的繼續(xù)運動而不斷升高，至t3，活塞運動到達終點，此時內(nèi)膽壓力為最大輸出壓力Fm。

2 調(diào)壓閥的作用

調(diào)壓閥實際是用于釋放氣缸內(nèi)的部分氣體。當活塞開始運動時，由于調(diào)壓閥釋放了部分氣體，壓力達到高于人體血壓的時間將延后一段時間Δt1，至t1+Δt1時血液泵開始輸出血液。隨著血液的輸出，由于調(diào)壓閥繼續(xù)釋放氣體，內(nèi)膽右端面的運動速度將低于活塞運動速度，如不改變調(diào)壓閥釋放氣體的速度，內(nèi)膽右端面仍做勻速運動，血液泵輸出血液的流速不變。由于輸出血液的開始時間延后Δt1，加上內(nèi)膽右端面運動速度減小，顯然內(nèi)膽右端面到達終點位置的時間將延后一定時間Δt2，且有Δt2>Δt1,整個壓力變化如圖1(A)中曲線0bde所示。從圖中還可以看到，如果驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速不變，活塞到達終點的時間t3是不變的。當Δt2=t3-t2時，活塞和內(nèi)膽右端面同時達到終點，此時血液泵的最大壓力等于輸出血壓。如果0<Δt2

從上述分析看，最大壓力的最佳調(diào)節(jié)點是使Δt2=t3-t2，此時泵的最大壓力等于輸出壓力，有利于減小驅(qū)動電機功率和能耗?？梢姡畲髩毫φ{(diào)節(jié)器的設(shè)置，增強了泵的適應(yīng)性，不但使泵能適應(yīng)不同病人的不同血壓，還可滿足不同轉(zhuǎn)流方式的需求，在V-A轉(zhuǎn)流時提高最大輸出壓力，在V-V轉(zhuǎn)流時，由于靜脈壓遠低于收縮壓，泵的最大輸出壓力可以相應(yīng)降低，驅(qū)動電機的功率和能耗可以得到大幅度減小。

3 V-A轉(zhuǎn)流時人體血壓對血液泵輸出的影響

當進行V-A轉(zhuǎn)流時，人體血壓在心臟一個搏動周期內(nèi)呈現(xiàn)收縮壓和舒張壓的變化。由于血液泵為脈動輸出，一般為了減小泵的體積，脈動輸出的頻率高于心臟的搏動頻率。因此，血液泵在輸出血液時將存在四種可能，即輸出全程人體處于收縮壓、全程處于舒張壓、輸出過程中人體血壓從收縮壓改變?yōu)槭鎻垑汉蛷氖鎻垑鹤優(yōu)槭湛s壓。下面對這四種情況泵的工作情況進行分析。

前面對血液泵輸出壓力變化的分析是假定輸出全程處于人體收縮壓時的輸出情況。對于輸出全程處于舒張壓時壓力F(t)隨時間變化的情況如圖(B)中曲線0abcd所示。由于舒張壓小于收縮壓，血液泵的輸出將提前，開始輸出血液的時間由t1提前到t11，此時泵的輸出血壓只要高于舒張壓，因此輸出血壓比全程處于收縮壓時低，因為輸出時間提前，血液泵完成血液輸出的時間也提前，由t2提前到t22，自t22后，氣泵給內(nèi)膽不斷充氣，內(nèi)膽體積不再增大，內(nèi)膽氣壓不斷升高最后達到最大輸出壓力Fm。

當血液泵在輸出過程中人體血壓有從舒張壓到收縮壓改變時，人體血壓跳變開始，血液泵的壓力小于人體血壓，輸出單向閥關(guān)閉，因為是V-A轉(zhuǎn)流，靜脈壓低于動脈的舒張壓，輸入單向閥繼續(xù)關(guān)閉，泵的輸出出現(xiàn)短暫中止，隨著活塞繼續(xù)運動內(nèi)膽氣壓增大，當內(nèi)膽壓力大于收縮壓時，血液泵恢復血液輸出，如圖1(B)中曲線0abefd所示，在圖中tx1至tx2為血液泵輸出中止時間，由于輸出有中斷，內(nèi)膽右端面運動到終點的時間延后至t2g，同樣，內(nèi)膽壓力最終達到Fm。

當血液泵在輸出過程中人體血壓有從收縮壓到舒張壓的改變時，血液泵的壓力和流速會隨之發(fā)生改變。血壓跳變開始，血液泵的輸出壓力與人體血壓間的壓力差增大，血液輸出量增大，由于氣泵活塞的運動速度不變，內(nèi)膽體積加速增大，也就是右端面運動速度將大于活塞運動速度，泵的壓力逐步下降到等于舒張壓，如圖1(C)中曲線0abefd所示，圖中，F(xiàn)1和F2分布代表血液泵在舒張壓和收縮壓時開始輸出血液的輸出壓力。由于輸出血液流速存在一個高于正常值時間，內(nèi)膽右端面達到運動終點的時間提前到t2d，此后，活塞繼續(xù)運動，內(nèi)膽壓力逐步上升至Fm。從上述分析可知，如圖人體血壓在血液泵輸出時間內(nèi)發(fā)生變化，泵的輸出壓力可自動適應(yīng)，不會導致病人局部高壓。但血液泵的輸出開始時間和輸出結(jié)束時間會發(fā)生相應(yīng)的改變，泵的最大輸出壓力不變，輸出血液的流速會改變，總的輸出量不變。

4 流速和流量分析

從前面的分析可知，只要設(shè)計和最大壓力調(diào)節(jié)恰當，保證活塞到達終點的時間不早于內(nèi)膽右端面到達終點，則外殼內(nèi)的血液將全部輸出。當活塞從右至左運動時，只要內(nèi)膽足夠柔軟，在活塞的抽吸作用和外殼與內(nèi)膽之間的負壓共同作用下，內(nèi)膽的氣體將被全部抽出，外殼與內(nèi)膽間的空間可被輸入血液充盈。因此，泵的每搏流量是不變的。如果需要調(diào)節(jié)流量，只需改變驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速就可實現(xiàn)。

比較圖1(A)的曲線0abcf和圖1(B)的曲線0abcd，可以看出，當泵的輸出過程中，血管血壓恒定時，對應(yīng)不同高低的血壓，泵的輸出開始和終了時間發(fā)生改變，但輸出持續(xù)時間不變，由于每搏流量恒定，可見輸出血液的流速不變。

從圖1(B)所示壓力變化曲線0abefd可以看出，在血管血壓存在從舒張壓至收縮壓的變化時，在時間(tx1，tx2)區(qū)間，血液泵輸出中止，血液的流速V(t)隨時間(t)變化的關(guān)系如圖2(A)曲線所示。圖2(A)中，在時間tx1至tx2之間，流速為0，表示在該時間段，輸出中斷。在t=tx2時，泵的輸出壓力上升至大于收縮壓，恢復血液輸出。

從圖1(C)所示壓力變化曲線0abefd可以看出，在輸出過程中存在血管血壓從收縮壓變?yōu)槭鎻垑簳r，在血壓跳變的ty1開始，至泵的輸出壓力下降至適應(yīng)舒張壓的ty2止，輸出血液的流速發(fā)生改變，由高于正常輸出流速到逐步下降至正常流速，如圖2(B)所示。

圖2 輸出過程中血管血壓發(fā)生改變時流速變化曲線Fig. 2 The velocity curve of vascular blood pressure changes during the output process

從血液泵的工作原理可知，無論血管血壓處于收縮壓還是舒張壓期間，只要泵的輸出壓力大于血管血壓，就可輸出血液，但流速與血管血壓有關(guān)。圖2中V0表示血管血壓不變時的流速，從圖2(B)中可以看出，時間ty1至ty2之間流速存在由高于正常流速V0到連續(xù)下降至正常流速的過程。

從以上分析可知泵的每搏輸出量是不變的，但如果輸出過程血管血壓存在變化，則流速也隨著發(fā)生改變。

5 結(jié)論

以上著重分析在泵的輸出過程中流量、流速和壓力的變化情況?；钊麖挠抑磷筮\動的返程期，輸出中斷，故未作過多闡述。由上述分析可知，無葉片泵的輸出壓力可自動適應(yīng)人體血壓的變化，不會導致病人局部高壓。通過最大壓力調(diào)節(jié)器，可對泵的最大輸出壓力進行調(diào)節(jié)，使泵能適應(yīng)不同病人、不同用途和不同轉(zhuǎn)流方式的需要。雖然輸出時血液流速可能發(fā)生變化，但每搏輸出量不變，泵在單位時間的輸出量通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，也就是調(diào)節(jié)搏動頻率來實現(xiàn)，不影響泵的輸出壓力。

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Analysis on flow, pressure and maximum pressure regulator for the no vane pump

LUO Liangcai

(School of Energy and Electrical Engineering, Hunan University of Humanities, Science and Technology,loudi 417000，china)

In this paper,the output and pressure of the pump is analyzed in detail，and the function and necessity of the maximum pressure regulator are discussed.,The analysis shows that the flow regulation of no vane pump does not affect the output pressure of the pump, and the output pressure can automatically adapt to the blood pressure of blood vessel.

no vane pump；output pressure；blood pressure；blood flow；maximum output pressure

1672-7010(2016)04-0071-05

2016-09-22

湖南省科技廳資助項目(2014GK2004)

羅良才(1950—)，男，湖南南縣人，教授級高級工程師，工學碩士，從事電子、人工心臟、血液泵設(shè)計研究

TH38；R318.11

A