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系統識別號 U0002-3107200502512700
中文論文名稱 軸流式血泵之設計與流體動力分析
英文論文名稱 Design and flow dynamic analysis of an axial blood pump
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 水資源及環境工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Water Resources and Environmental Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 洪伸維
研究生英文姓名 Sun-wei Hung
學號 692330508
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-07-22
論文頁數 88頁
口試委員 指導教授-盧博堅
委員-施清吉
委員-陳世樂
中文關鍵字 軸流式血泵  左心室輔助器  性能曲線  靜態邊壁壓力分佈  流場可視化  雷射都卜勒測速儀  亂流強度 
英文關鍵字 Axial blood pump  LVAD  performance curve  static wall pressure distribution  flow visualization  laser doppler velocimetry  turbulence intensity 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 軸流式血泵(Axial Blood Pump)為目前淡江大學發展之左心室輔助器(LVAD)所採用的驅動機構。本研究係採用實驗之方式量測現有軸流式血泵之性能曲線(performance curve)與沿著此輔助器之靜態邊壁壓力分佈(static wall pressure distribution)。實驗結果發現此血泵在7000 rpm之轉速下,可提供100 mmHg之壓力提升與5 L/min之流量,與設計點的需求相符合。並利用流場可視化(flow visualization)之方法對血泵之上下游端做一個定性的觀測,在設計點與離點設計之狀況下在入流定子上游端之管壁附近發現環型區域之迴流流場,並在出流定子葉片尾端區域發現小區域之迴流流場。最後再利用二分量雷射都卜勒測速儀(Laser Doppler Velocimetry)對血泵上下游端之測試斷面做流體速度分佈與紊流強度(turbulence intensity)之初步分析。
英文摘要 An axial blood pump is a driving mechanism of Left Ventricular Assist Device(LVAD) developed by TKU. The performance curves and the static wall pressure distributions of the axial blood pump are measured in in-vitro experiments. The results show that, at 7000 rpm, the axial blood pump can provide 100 mmHg pressure rise and 5 L/min flowrate which matching the design point. The flow fields of the upstream and downstream of the blood pump are qualitively analyzed by using the method of flow visualization. At design and off-design conditions, an annular region of reverse flow was commonly observed near the housing wall before the inlet stator. A small recirculation cell was observed behind the outlet stator tail region at design condition. We also utilized Laser Doppler Velocimetry (LDV) to measure the fluid velocities and turbulent intensities at the cross-sections of the upstream and downstream of the pump.
論文目次 中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
謝誌 Ⅲ
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XII
第一章 序論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究目的 2
1-3 研究方法 3
1-4 論文架構 5
第二章 文獻回顧 8
2-1 心室輔助器的設計回顧與比較 8
2-1-1 第一代血泵 8
2-1-1-1 Thoratec VAD 9
2-1-1-2 HeartMate IP LVAS 9
2-1-1-3 Novacor LVAD 10
2-1-1-4 HeartSaver 11
2-1-1-5 LionHeart LVAD 11
2-1-2 第二代血泵 12
2-1-2-1 MicroMed DeBakey VAD 13
2-1-2-2 Jarvik 2000 VAD 14
2-1-2-3 HeartMate Ⅱ LVAS 14
2-1-3 第三代血泵 15
2-1-3-1 Terumo VAD 16
2-1-3-2 HeartQuest 17
2-1-3-3 Streamliner 17
2-1-3-4 VentrAssist 18
2-1-3-5 Berlin INCOR I 19
2-2 軸流泵浦實體設計 20
2-3 心室輔助器之流場可視化 27
第三章 軸流式血泵之體外測試 29
3-1 簡介 29
3-1-1 現有的葉片原型 29
3-1-2 實驗設備與量測 31
3-1-2-1 量測設備 33
3-1-2-2 資料擷取系統 37
3-2 體外性能測試 37
3-2-1 性能曲線 37
3-2-1-1 測試方法 38
3-2-1-2 結果與討論 39
3-2-2 探討沿著輔助器之靜態邊壁壓力 46
3-2-2-1 測試方法 46
3-2-2-2 結果與討論 48
3-2-3 流場可視化 54
3-2-3-1 測試方法 54
3-2-3-2 結果與討論 58
3-2-4 流場速度量測 69
3-2-4-1 測試方法 70
3-2-4-2 結果與討論 73
第四章 結論與建議 78
4-1 結論 78
4-2 建議 80
參考文獻 82
附錄 87


圖目錄
圖1- 1 台大一號心室輔助器 7
圖1- 2 鳳凰七號人工心臟 7
圖2- 1 Thoratec Pneumatic VAD System……………………………... 9
圖2- 2 HeartMate IP LVAS 10
圖2- 3 Novacor LVAD 11
圖2- 4 HeartSaver LVAD 11
圖2- 5 LionHeart LVAD 12
圖2- 6 Micromed DeBakey VAD 13
圖2- 7 Jarvik 2000 LVAD 14
圖2- 8 HeartMate Ⅱ LVAS 15
圖2- 9 Terumo LVAD 16
圖2- 10 HeartQuest LVAD 17
圖2- 11 Streamliner 18
圖2- 12 VentrAssist LVAD 19
圖2- 13 Berlin INCOR ⅠLVAD 19
圖2- 14 轉子外型和名稱 23
圖2- 15 水平傾斜角 23
圖2- 16 垂直傾斜角 24
圖2- 17 弓角示意圖 24
圖2- 18 攻錯角示意圖 25
圖2- 19 入口角與出口角 25
圖2- 20 攻角示意圖 26
圖2- 21 空乏角 26
圖2- 22 流場可視化技術搭配計算流體力學模擬 28
圖2- 23 油點軌跡法 28
圖3- 1 泵浦幾何外型(左)與3D幾何視圖(右) ……………………29
圖3- 2 測試平台示意圖 32
圖3- 3 測試平台 32
圖3- 4 壓力轉換器(左)、壓力放大器(右) 36
圖3- 5 超聲波流量計(左)、雷射都卜勒流速儀(右) 36
圖3- 6 無刷直流馬達(左)、馬達控製器(右) 36
圖3- 7 測試段壓克力塊(左)、葉片(右) 36
圖3- 8 Hydrodynamic characteristic of the axial blood pump 40
圖3- 9 Pressure coefficient versus Flow coefficient for blood pump 44
圖3- 10 Power coefficient versus Flow coefficient for blood pump 44
圖3- 11 Specific speed versus Specific diameter for blood pump 45
圖3- 12 Cordier高效能流體機械 與 關係圖[42] 45
圖3- 13 延著輔助器之壓力量測孔位置圖(軸向距離單位: mm) 47
圖3- 14 軸流式血泵之軸向壓力分佈(操作狀況: 轉速7000 rpm、 流量4 ~ 6 L/min) 50
圖3- 15 軸流式血泵之軸向壓力分佈(操作狀況: 轉速8000 rpm、 流量4 ~ 6 L/min) 50
圖3- 16 軸流式血泵之軸向壓力分佈(操作狀況: 轉速9000 rpm、 流量4 ~ 6 L/min) 51
圖3- 17 血泵流場可視化示意圖 54
圖3- 18 操作點示意圖 56
圖3- 19 雷射光切平面位置圖 57
圖3- 20 血泵流場觀測之可視化設備圖 57
圖3- 21 入流定子上游端之流場圖(轉速:7000 rpm、流量:12 L/min) 61
圖3- 22 入流定子上游端之流場圖(轉速:7000 rpm、流量:11 L/min) 61
圖3- 23 入流定子上游端之流場圖(轉速:7000 rpm、流量:10 L/min) 62
圖3- 24 入流定子上游端之流場圖(轉速:7000 rpm、流量:9 L/min) 62
圖3- 25 入流定子上游端之流場圖(轉速:7000 rpm、流量:8 L/min) 63
圖3- 26 入流定子上游端之流場圖(轉速:7000 rpm、流量:7 L/min) 63
圖3- 27 入流定子上游端之流場圖(轉速:7000 rpm、流量:6 L/min) 64
圖3- 28 入流定子上游端之流場圖(轉速:7000 rpm、流量:5 L/min) 64
圖3- 29 入流定子上游端之流場圖(轉速:7000 rpm、流量:4 L/min) 65
圖3- 30 入流定子上游端之流場圖(轉速:7000 rpm、流量:3 L/min) 65
圖3- 31 出流定子下游端之流場圖(轉速:7000 rpm、流量:5 L/min) 66
圖3- 32 出流定子下游端之局部流場放大圖 66
圖3- 33 轉速7000rpm、流量12 L/min 以上時之流場示意圖 67
圖3- 34 轉速7000rpm、流量5~11 L/min 時之流場示意圖 67
圖3- 35 轉速7000rpm、流量3~4 L/min 時之流場示意圖 67
圖3- 36 轉速7000rpm、流量5 L/min 時之流場示意圖 68
圖3- 37 量測體示意圖 72
圖3- 38 雷射量測剖面位置圖(a)上視圖;(b)正視圖 72
圖3- 39 入流斷面之速度分佈圖 75
圖3- 40 出流斷面之速度分佈圖 75
圖3- 41 入流斷面之亂流強度分佈圖 76
圖3- 42 入流斷面邊壁點之軸向速度訊號 76
圖3- 43 入流斷面中心點之徑向速度訊號 77





表目錄
表1- 1 2003 年台灣地區民眾十大死因表 (行政院衛生署,2003) 6
表2- 1 心室輔助器分類表 ……………………………………………8
表3- 1 設計參數……………………………………………………...30
表3- 2 無因次化參數之單位與對應常數 43
表3- 3 轉速7000 rpm下之inlet stator上游端負壓量測(點2) 52
表3- 4 轉速8000 rpm下之inlet stator上游端負壓量測(點2) 52
表3- 5 轉速9000 rpm下之inlet stator上游端負壓量測(點2) 52
表3- 6 轉速7000 rpm下各元件之壓力提升與上下游端之壓力差 53
表3- 7 轉速8000 rpm下各元件之壓力提升與上下游端之壓力差 53
表3- 8 轉速9000 rpm下各元件之壓力提升與上下游端之壓力差 53
表3- 9 入流斷面邊壁點與中心點之速度訊號 77


參考文獻 1. Anderson DW, Blood pumps: Technologies and markets in transformation. Artif Organs 2001; 25: 406-410.
2. Balje, O. E., Turbomachines, John Wiley and Sons, 1981.
3. Burgreen GW, Antaki JF, Wu ZJ, et al. Computational Fluid Dynamics as a development tool for rotary blood pumps. Artif Organs 2001; 25:336-340.
4. Burke DJ, Burke E, Darsaie F, et al. The HeartMate Ⅱ: Design and development of a fully sealed axial flow left ventricular assist system. Artif Organs 2001; 25:380-5.
5. Bartley P. Griffith, MD, Robert L. Kormos, MD, Harvey S. Borovetz, PhD et al. HeartMate Ⅱ Left Ventricular Assist System: From Concept to First Clinical Use. Ann Thorac Surg 2001; 71: S116-20.
6. Cordier, O.,“Similarity Considerations in Turbomachines,”VDI Reports, Vol. 3, 1955.
7. Chen C, Paden B, Antaki J, et al. Optimal design of the HeartQuest magnetic suspension. ASAIO J. 2002; 48: 148.
8. Drews T, Mueller J, Jurmann M, et al. Coagulation management in patients with the axial flow pump Berlin Heart INCOR. ASAIO J. 2003; 49:162.
9. EARL LOGAN, JR: Turbomachinery. New York : Marcel Dekker, 1993.
10. EI-Banayosy A, Arusoglu L, Kizner L, et al. Preliminary experience with the Lion Heart left ventricular assist device in patients with end-stage heart failure. Ann Thorac Surg 2003; 75: 1469-75.
11. Greg W. Burgreen, James F. Antaki, Jon Wu, Pieter LE Blang, and Kenneth C. Butler. A Computational and Experimental Comparison of Two Outlet Stators for the Nimbus LVAD. ASAIO J.1999; 45:328-333.
12. Griffith BP, Kormos RL, Borovetz HS, et al. HeartMate Ⅱ left verticular assist system: From concept to first clinical use. Ann Thorac Surg 2001; 71: S116-20.
13. Hendry PJ, Mussivand TV, Masters RG, et al. The HeartSaver left ventricular assist device: An update. Ann Thorac Surg 2001;71: S166-70.
14. John M. Sankovic, Jaikrishnan R. Kadambi, W.A. Smith, et al. PIV Investigation of the Flow Field in the Volute of a Rotary Blood Pump. ASME 2004; 126:730-734.
15. Kenji Araki, Hirofumi Anai, Mitsuo Oshikawa, et al. In Vitro Performance of a Centrifugal, a Mixed Flow, and an Axial Flow Blood Pump. Artificial Organs 1998; 22(5): 366-370.
16. Long JW. Advanced mechanical circulatory support with the HeartMate left ventricular assist device in the year 2000. Ann Thorac Sung 2001; 71:S176-82.
17. Mehta SM et al. The Lion Heart LDV-2000: A completely implanted left ventricular assist device for chronic circulatory support, Ann Thorac Surg 2001; 71: S156-61.
18. Miller LW, Patient selection for the use of ventricular assist devices as a bridge to transplantation. Ann Thorac Surg 2003; 75: S66-71.
19. Miles SD, Jacobs GB, Lndlow J, et al. HeartQuest LVAD optimized clinical design. ASAIO J. 2003; 49: 186
20. Mueller J, Nuesser P, Weng Y, et al. The first left ventricular cardiac assist device without any wear and tear in a clinical multicenter trial. ASAIO J. 2003; 49: 162.
21. Mussivand T, Harasaki H, Litwak K, et al. In Vivo evaluation of biocompatibility of the totally implantable ventricular assist device (HeartSaver VAD). ASAIO J 2003; 49: 459-462
22. Mussivand T., Day, K. D., and Naber, B. C., 1999“Fluid Dynamic Optimization of a Ventricular Assist Device Using Particle Image Velocimetry,” ASAIO J., 45,pp. 25-31.
23. Nojiri C, Kijima T, Maekawa J, et al. Development status of Terumo implantable left ventricular assist system. Artif Organs 2001; 25: 411-3.
24. Noon GP, Morley DL, Irwin S, et al. Clinical experience with the MicroMed DeBakey ventricular assist device. Ann Thorac Surg 2001; 71: S133-8.
25. Olsen DB, Rotary Blood Pumps: A New Horizon. Artificial Organs 1999 ; 23(8):695-696
26. Olsen DB, The history of continuous flow blood pumps. Artificial Organs 2000;24(6) :401-404.
27. Pascal Verdonack, M. Sc. The Role of Computational Fluid Dynamics for artificial Organ Design. Artificial Organs 2002; 26(7): 569-570.
28. Reichenbach SH, Rossi SA, Lee ET, et al. Performance of the Thoratec implantable VAD: Preliminary evaluation. ASAIO J. 2003; 49: 167.
29. Robert C. Robbins, MD, Murray H. Kown, MD et al. The totally Implantable Novacor Left Ventricular Assist System. Ann Thorac Surg 2001; 71: S162-5.
30. Sieβ T; Reul H; Rau G. Hydraulic refinement of an intra-arterial microaxial blood pump. Int J Artif Organs 1995; 18:273-285.
31. SMITH, W.A., Allaire P., Antaki J., Butler K.C., et al. Collected Nondimensional Performance of Rotary Blood Pumps. ASAIO J.2004; 50: 25-32.
32. Takashi Yamane, Yusuke Miyamoto, Koki Tajima, and Kenji Yamazaki. A Comparative Study Between Flow Visualization and Computational Fluid Dynamic Analysis for the Sun Medical Centrifugal Blood Pump. Artificial Organs 2004; 28(5):458-466.
33. van der Meer AL, Jances NL, Edwards GA, et al., Initial in vivo experience of VentraAssist implantable rotary blood pump in sheep. Artif Organs 2003;27:21-6
34. Vitali E, Lanfranconi M, Ribera E, et al. Successful experience in bridging patients to heart transplantation with the MicroMed DeBakey ventricular assist device. Ann Thorac Surg 2003; 75: 200-4.
35. Watterson PA, Woodard JC, Ramsden VS, et al. VentrAssist hydrodynamic ally suspended, open, centrifugal blood pump. Artif Organs 2000; 24: 475-7.
36. Wu, Z J., “Investigation of fluid Dynamics with a Miniature Mixed-Flow Blood Pump.” Experiments in Fluid, Vol. 31, pp.615-629, 2001.
37. XINWEI SONG, Throckmorton AL, Untaroiu A, et al. Axial flow blood pumps. ASAIO J.2003; 49: 355-364.
38. Yi Qian and Christopher D. Bertram, Computational Fluid Dynamics Analysis of Hydrodynamic Bearings of the VentrAssist Rotary Blood Pump. Artif Organs 2000;24(6):488-491.
39. ZHONGJUN J. Wu, JAMES F. ANTAKI, GREG W. BURGREEN, et al. Fluid Dynamic Characterization of Operating Conditions for Continuous Flow Blood Pumps. ASAIO J.1999; 45:442-449.
40. http://www.worldheart.com/products/novacor_lvas.cfm
41. http://www.berlinheart.com/products/incor.html
42. 洪佐旻,”人工心臟混流泵之設計與分析”, 成功大學航空太空工程研究所碩士論文,2004。
43. 黃建雄,“人工心藏液壓泵的性能測試”,成功大學航空太空工程研究所碩士論文,2000。
44. 陳景欣, 盧博堅,“直流無刷馬達於左心室輔助器之應用”, 馬達技術研究中心電子報, 第68期, 民國93年5月。
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