[发明专利]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

权利要求书

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；

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。

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：

η——血液动力学粘度

l——出入口管道长度

r——出入口管道的平均内径。

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：

U——血流速度

ω——血流涡量

t—时间

P—血压

ρ—血液密度

μ_t—血液的湍流粘度。

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：

hb——血液中的游离血红蛋白浓度

μ——血液动力学粘度

ρ—血液密度

t—时间。

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：

N——时间步数

σ_i——i时刻的粒子收到的剪切应力。

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：

∫_sΩ·ds＝∫_Lu·dr

WSS——血管收到的壁面剪切应力

Ω——血液中的涡量

σ_ii——血液变形量。

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。