《Medical & Biological Engineering & Computing》：Hemodynamic performance and blood damage of the Intra-aortic pumps: A CFD-Based investigation
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本项研究针对急性失代偿性心力衰竭等心血管疾病，旨在评估不同设计（单泵、三联泵、叶轮驱动泵）的主动脉内血泵（Intra-aortic pump）的血流动力学性能与溶血潜力。研究采用壁面模型大涡模拟（WMLES）CFD方法，比较了各泵的压力-流量曲线、水力效率、剪切应力分布与溶血预测。结果表明，叶轮驱动泵在产生的压头（~800 Pa）和水力效率（~6%）方面均表现最佳，其标准化溶血指数（NIH≈0.0035 g/100L）也最低。此外，研究创新性地提出了一个用于标准化比较泵性能与溶血的无量纲参数——溶血数（Hemolytic Number, HN）。该研究为主动脉内血泵的优化设计和针对患者的个性化选择提供了有价值的洞见。
心血管疾病是全球死亡的主要原因，而心力衰竭在其中占据了相当大的比例。面对日益增长的心力衰竭发病率，机械循环支持（Mechanical Circulatory Support, MCS）设备，特别是主动脉内血泵，因其相比传统心室辅助装置（Ventricular Assist Devices, VADs）侵入性更小而备受关注。这些微型泵被植入降主动脉，旨在降低心脏后负荷、增加肾脏灌注，为急性失代偿性心力衰竭等患者提供血流动力学支持。目前，已有多种设计原型进入临床研究阶段，例如Aortix?（单泵设计）、ModulHeart?（三联泵设计）和Second Heart Assist（叶轮驱动泵设计）。然而，这些不同架构的泵在有限主动脉管腔内运行时，如何在实现足够的流量增强、保持水力效率与最大限度地减少对血液的损伤（即溶血）之间取得平衡，是一个关键的工程与临床挑战。由于现有研究多为针对特定设备的独立分析，且使用的模型假设各异，导致难以在不同设计架构和运行条件下进行直接、公平的比较。此外，现有的溶血评估指标（如NIH）并非无量纲，且强烈依赖于设备尺寸和工况，这限制了其在跨平台性能评估中的应用。为了系统解决这些问题，一项题为“Hemodynamic performance and blood damage of the Intra-aortic pumps: A CFD-Based investigation”的研究在《Medical & Biological Engineering & Computing》期刊上发表，旨在通过统一的高保真计算框架，对三种主流主动脉内血泵设计进行头对头比较，并引入一个新的标准化指标。
研究者们采用了计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）这一强大工具，核心方法是壁面模型大涡模拟（Wall-Modelled Large Eddy Simulation, WMLES）。他们基于公开文献的尺寸参数，在CAD软件中重建了代表Aortix?（单泵）、ModulHeart?（三联泵）和Second Heart Assist（叶轮驱动泵）的三种理想化几何模型，并将其置于一个直径22毫米的简化直管（模拟降主动脉）中进行模拟。为确保计算结果的可靠性，他们进行了网格无关性分析（使用网格收敛指数GCI方法），并将CFD预测的水力性能曲线与已发表的实验数据（Whisper泵和Sputnik 2泵）进行了对比验证。研究模拟了每种泵在其典型转速（单泵25000 rpm，三联泵3×14000 rpm，叶轮驱动泵10500 rpm）下，一系列入口质量流量工况，以获取完整的压力-流量特性曲线。通过分析流场、计算水力效率、标量剪切应力（Scalar Shear Stress, SSS）、血液颗粒暴露时间，并应用Giersiepen幂律模型计算溶血指数（Hemolysis Index, HI）和标准化溶血指数（Normalized Index of Hemolysis, NIH），全面评估了各泵的性能。此外，研究创新性地通过白金汉π定理（Buckingham Pi theorem）推导并提出了一个新的无量纲参数——溶血数（Hemolytic Number, HN），用于标准化比较不同泵的溶血性能。
3.1 特性曲线与水力效率
研究发现，三种泵的水力效率普遍较低，这是由其非闭塞性运行和主动脉内有限空间约束所致。其中，叶轮驱动泵表现最优，在14 L/min流量下能达到约6%的最高效率，显著高于单泵（最高2.7%）和三联泵（最高2.2%）。在压头方面，叶轮驱动泵同样出众，在4 L/min流量下可产生约800 Pa的压升。研究还揭示了一个重要现象：在低流量工况下（对应于特性曲线图中的红色阴影区），单泵和三联泵会出现从泵出口到入口的流动回流（Recirculation），这会增加血液滞留时间和潜在的血栓形成风险，而叶轮驱动泵则未观察到此类回流。
3.2 主动脉内泵产生的流场
速度分布图显示，三联泵的流场更为规则有序。单泵和叶轮驱动泵下游则呈现出更复杂的湍流结构。流线图清晰展示了单泵和三联泵在低流量时的回流区域，以及叶轮驱动泵泵后近尾迹区与远尾迹区的不同流动特征。
3.3 血液损伤分析
在血液损伤方面，叶轮驱动泵展现出最佳的血液相容性。其流场中承受高标量剪切应力（>9 Pa, >50 Pa, >150 Pa）的流体体积百分比最低，血液颗粒的平均暴露时间也最短（0.0072 s）。其标准化溶血指数NIH值在各工况下也最低（中值约0.0035 g/100L），远低于单泵和三联泵。新提出的溶血数HN分析进一步证实了这一点：叶轮驱动泵的HN值在所有研究流量下均保持在1以下，表明其在产生流量和造成血液损伤之间取得了最佳平衡。溶血指数HI的空间分布图显示，高溶血区域主要位于叶轮叶尖附近，而叶轮驱动泵的整体HI水平被控制在0.05%以下。
4 讨论与5 结论
本研究的综合性比较为主动脉内血泵的设计优化提供了深刻见解。首先，研究确认了当前主动脉内血泵，尤其是同轴式（单泵/三联泵）设计，水力效率相对较低，且在低流量下易发生回流，这会影响效率并可能增加血液损伤风险。其次，泵的设计对其血液相容性有显著影响。在三种设计中，结构紧凑的叶轮驱动泵在血流动力学性能（高压头、较高效率）和血液相容性（低剪切应力、短暴露时间、低溶血指标）方面均表现最佳，展现出作为高效、安全辅助设备的潜力。
本研究最重要的理论贡献之一是引入了溶血数（Hemolytic Number, HN）这一新的无量纲参数。HN将剪切应力、暴露时间、流体密度、转速和泵直径整合为一个标准化指标，物理上反映了血液损伤指数与特征惯性应力的比值。这克服了NIH等指标在跨设计比较时的局限性，为未来不同血泵架构和运行条件下的溶血性能评估提供了一个统一的、标准化的度量框架，有助于指导设备的优化和临床决策。
当然，研究也存在一些局限性，例如使用的是理想化的几何模型和刚性直管，未考虑患者特异性解剖结构和生理性搏动血流。未来的工作可以纳入更生理化的模型，并对HN的临床应用阈值进行进一步探索。尽管如此，这项研究通过严谨的CFD比较分析和创新的指标提出，为下一代主动脉内血泵的开发迈向更高性能、更优血液相容性的目标奠定了重要的理论基础。
