岳明昊，張世耀，李紀念，劉會超，蘇子華，王亞偉，陳增勝，林世航，李晉渝，成雅科，胡永飛，賈存鼎，徐明洲*

（1.北京航天長峰股份有限公司，北京 100039；2.北京航空航天大學，北京 100191）

0 引言

體外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）是體外循環(huán)領域最先進的技術之一，ECMO 設備屬于重癥救治領域的高端醫(yī)療器械。ECMO 設備的研制、生產能力在一定程度上代表了一個國家的高端醫(yī)療器械科技水平[1-4]。氧合器是ECMO 設備的核心部件，主要功能是進行血氧交換和二氧化碳清除。

在氧合器設計中，血流通路的設計十分重要，會直接影響氧合器跨膜壓差、傳熱性能和血氧交換性能。目前臨床應用中ECMO 設備存在長時間運行的情況，因此血栓發(fā)生率高、血氧交換效率降低的問題較常見。這與氧合器整體血流流路設計不好，存在大量流動死區(qū)，導致血液流通擴散效率不佳，使一部分紅細胞無法及時進行血氧交換等原因有關[5-6]。

基于ANSYS FLUENT（下文簡稱“ FLUENT”）軟件的流場仿真技術[7-8]，長期以來一直應用于氧合器血液流場設計中，該仿真技術在分析氧合器內部流場（如壓力、速度、血液損傷、血氧交換等）參數方面具有一定優(yōu)勢，該技術的應用能夠節(jié)約研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，對后續(xù)工程化具有指導意義。

本研究在現有氧合器的基礎上設計一款新型氧合器，其綜合性能明顯提高。本文利用FLUENT 軟件對其進行數值仿真，并對氧合器樣機進行性能實測，通過與Quadrox 氧合器進行對比，驗證本文設計氧合器的優(yōu)越性和創(chuàng)新性。

1 氧合器血液通路設計

氧合器共包括血液通路、氣體通路和水通路，其設計重點在于血液通路的拓撲結構，因為血液通路在整個氧合器內部占據了80%左右的空間，其優(yōu)劣直接決定了熱交換和血氧交換效率，同時影響血栓的形成。本文重點研究血液通路的設計，對熱水流動和血氧交換進行等效仿真。

以市場占有率第一的邁柯唯Quadrox PLS-i 氧合器（下文簡稱“ Quadrox 氧合器”）為例，該氧合器內部血液過流斷面的分布為方形，工作時靜脈血液從方形腔室底部流入，經過熱交換和血氧交換之后從對側方形腔室底部流出，這種進出方式的不足之處是大部分血液都從氧合器中下部流動至出口，氧合器中上部膜絲利用率不高，更重要的是經臨床證實[9-10]在方形氧合器血液流動方向發(fā)生明顯轉折的頂角位置處存在較大的流動死區(qū)（流動長期滯留區(qū)），因此容易引發(fā)血栓。本文設計氧合器血液通過位于入口面幾何中心的入口流入，并均勻分布到緩沖區(qū)域四周，每個方向血液到達氧合器邊緣所經過的路程基本一致，流場和壓力場分布均勻，此后血液在重力作用下從上往下依次通過熱交換水絲（下文簡稱“水絲”）和中空纖維膜絲（下文簡稱“膜絲”），最后匯集到氧合器底部出口流出。該設計的優(yōu)點包括：（1）增加水絲、膜絲和血液接觸面積，可提高水絲和膜絲利用率，提升熱交換和血氧交換效率；（2）全面改善氧合器內部血流動力學性能，使血液均勻通過所有水絲、膜絲，流場和壓力場，消除流動死區(qū)，減小氧合器跨膜壓差，降低紅細胞損傷及血栓發(fā)生概率。

本文設計氧合器的血液通路及各功能區(qū)示意圖如圖1 所示。其血液流場基本外形為扁平圓柱體，血液從位于入口面幾何中心的入口流入氧合器，隨即向四周擴散，充滿整個入口緩沖區(qū)，依次經過熱交換區(qū)、血氧交換區(qū)和出口緩沖區(qū)，最終到達位于出口面底部的血液出口，從而流出氧合器進入人體。

圖1 本文設計氧合器的血液通路及各功能區(qū)示意圖

2 氧合器血液通路數值仿真

2.1 三維建模

基于圖1 的設計，對本文設計氧合器的血液通路拓撲結構進行了三維建模，模型示意圖如圖2所示。血液通路的主體部分為一個扁平圓柱體，其內部被3 個隔板分成4 個區(qū)域，隔板起到固定膜絲的作用，其上開有小孔，能夠保證血液的順利通過及均勻分布。

圖2 本文設計氧合器的血液通路三維模型示意圖

2.2 網格劃分

本文采用ANSYS ICEM CFD 軟件對氧合器三維模型進行非結構網格劃分，劃分網格前將整個流場切分成多個區(qū)域，包括血液入口段及入口緩沖區(qū)（紫色區(qū)域）、熱交換區(qū)（綠色區(qū)域）、血氧交換區(qū)（紅色區(qū)域）、出口緩沖區(qū)及血液出口段（藍色區(qū)域），每個區(qū)域為一個單獨的流動區(qū)域。對流場區(qū)域進行非結構網格劃分，其示意圖如圖3 所示，該圖體現了網格局部尺寸與整體尺寸的比例關系、不同功能分區(qū)的相對位置及隔板上小孔的布置情況。整個模型的網格總數約900 萬，經過前期驗證，已達到網格無關解的要求。

圖3 本文設計氧合器的網格示意圖

2.3 壓力及速度仿真

氧合器內部包含4 000 多根水絲和10 000 多根膜絲，如果按照真實尺寸對所有水絲（外徑600 μm）和膜絲（外徑380 μm）進行建模、網格劃分和流場仿真，所需時間及計算資源將遠遠超出普通工作站的承受能力。為解決該問題，使用ANSYS FLUENT 軟件以多孔介質模型等效替代水絲和膜絲區(qū)域[11-12]。使用該模型的最大優(yōu)勢在于省去了膜絲和水絲的三維建模過程，縮短了網格劃分的時間，從而節(jié)約了計算資源，同時能夠較為準確地反映真實膜絲和水絲存在時對流場壓力、速度等方面的影響。該模型定義了一個具有多孔介質特征的流體區(qū)域，流體經過該區(qū)域產生的壓力損失由輸入多孔介質動量方程中的內容來決定，具體可設置方向、黏性阻力系數、慣性阻力系數以及孔隙率等參數。除了定義多孔介質相關參數外，還需要對湍流模型（默認選擇SST K-omega）、血液參數（主要涉及密度、黏性）、入口邊界條件及相關選項（如流速、壓力、水力直徑等）、出口邊界條件及相關選項進行設置，對氧合器流場進行穩(wěn)態(tài)仿真，再對血液流量為1、3、5、7 L/min 的具體情況進行仿真。取中截面作為云圖顯示位置，以臨床應用最多的血液流量5 L/min 為例，提取該截面上的壓力云圖和速度云圖，如圖4 所示。

圖4 本文設計氧合器的中截面流場云圖

氧合器入口與出口的壓力差稱為跨膜壓差，跨膜壓差的增加通常表明氧合器中有堵塞，通常是由血栓形成所導致[13]，因此，跨膜壓差成為氧合器設計中非常重要的指標。在相同血液流量情況下，如果該值較低，則表示氧合器性能較好。在中截面壓力云圖的血液入口段和血液出口段，分別選取適當位置獲得2 段各自平均壓力，二者相減即得到跨膜壓差。通過仿真計算，得出的跨膜壓差值為34.8 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa）。目前臨床應用較多的幾款氧合器[14-15]在血液流量為5 L/min 時，其跨膜壓差為40～50 mmHg。本文設計氧合器由于對流場進行了創(chuàng)新性設計，其跨膜壓差低于40 mmHg，性能更加優(yōu)越。

2.4 熱交換仿真

將本文設計氧合器的第1 部分多孔介質區(qū)域作為熱交換區(qū)，該區(qū)域內有交替疊放的水絲，水絲內部有流動的恒溫熱水，其溫度高于血液溫度，從而能對流經水絲外表面的血液起到加熱作用。該部分采用多孔介質模型的非平衡熱模型進行仿真，重點設置了交界面密度和熱導率。之后，FLUENT 軟件會自動生成1 個與多孔介質區(qū)域重合的固體區(qū)域，該區(qū)域需要設置內部發(fā)熱率等參數。仿真設定熱水溫度為313 K（40 ℃），入口血液溫度為303 K（30 ℃），熱交換區(qū)保持恒溫的重點在于血氧交換區(qū)的溫度升高。本文仿真設計氧合器在水流量為10 L/min，血液流量為1、3、5、7 L/min 時的溫度升高情況，以血液流量3、5 L/min 為例提取中截面溫度場，如圖5 所示。

圖5 本文設計氧合器的中截面溫度場云圖

由圖5 可知，由于熱交換區(qū)有恒溫熱水，所以該區(qū)域的溫度始終保持在313 K（40 ℃）左右。當血液流量分別為3、5 L/min 時，血液在血氧交換區(qū)的溫度有所下降，流至出口時其溫度分別為310 K（37 ℃）和309 K（36.5 ℃），均與人體溫度較為接近，對入口血液的加熱效果較為明顯。另外，隨著血液流量增多與血液流速加快，相同時間內被加熱的血液量增多，相同量的血液在流經熱交換區(qū)的時間縮短，因此加熱效果有所減弱，符合客觀事實。

2.5 血氧交換仿真

氧合器工作時，膜絲內部空腔通有高體積分數氧氣，膜絲外部有靜脈血液流過。膜絲內部氧氣體積分數高于膜絲外部靜脈血液氧氣體積分數，氧氣由高體積分數區(qū)向低體積分數區(qū)擴散，氧氣從膜絲內部傳輸到靜脈血液進行血氧交換。根據相關理論[16]，氧分壓及血氧交換相關計算方法如下：

氧氣在血液中的有效擴散系數Deff計算公式為

式中，DO2為氧氣擴散系數；λO2為與血紅蛋白攝取氧氣有關的氧分壓PO2的函數，并且與血紅蛋白解離曲線斜率成比例，通過希爾方程描述為

式中，SO2為氧飽和度；P50為血氧飽和度50%所對應的氧分壓；n為希爾常數。

λO2計算公式為

式中，Ch為血紅蛋白濃度；KO2為氧氣的質量傳輸系數（實驗值）。

氧分壓計算公式為

式中，dx為x方向上的偏導數；α 為氧氣在血液中的溶解度；ε 為膜絲或水絲的孔隙率；β 為由實驗擬合的經驗系數；d為膜絲的直徑；A為單位體積膜絲或水絲表面積；μ 為動力粘度；Q為血液體積流量；ρ 為血液密度；P'O2為膜絲內部的氧分壓。通過氧分壓可以估算出血氧交換率計算公式為

式中，mO2為血氧交換率；ΔPO2和ΔSO2為氧合器出入口處的氧分壓和氧飽和度的差值。

根據以上內容，使用自定義標量了本文設計氧合器內部血氧交換過程，其中氧合器入口處的氧飽和度設置為60%。以血液流量5 L/min 為例，提取了該截面上的氧分壓云圖和氧飽和度云圖（如圖6 所示），并計算得到本文設計氧合器血氧交換率為357mL/min。

圖6 本文設計氧合器的中截面血氧交換云圖

血氧交換率是氧合器最重要的指標，該指標直接決定了氧合器的性能，因此，須將其控制在合理范圍內。目前臨床應用較多的幾款氧合器在血液流量為5 L/min 時，其血氧交換率在350～400 mL/min[12-13]，本文設計氧合器的血氧交換率為357 L/min，因此本文設計氧合器的血氧交換率與臨床應用氧合器水平一致。

2.6 Quadrox 氧合器性能仿真

Quadrox 氧合器為正方體，其橫截面為菱形，同樣分為2 個多孔介質區(qū)域，第1 區(qū)域為熱交換與血氧交換混合區(qū)，第2 區(qū)域為血氧交換區(qū)，其三維幾何模型如圖7 所示。

圖7 Quadrox 氧合器的血液通路三維模型示意圖

通過仿真Quadrox 氧合器在血液流量5 L/min時的壓力場、速度場、溫度場及血氧交換情況（如圖8 所示），所得跨膜壓差為39.5 mmHg，血液出口溫度為309.3 K（36.8 ℃），血氧交換率為325 mL/min。對比圖6 與圖8 的云圖發(fā)現，在相同的最大值、最小值限定下，本文設計氧合器出口處的氧分壓數值明顯高于Quadrox 氧合器，氧飽和度云圖中顯示本文設計氧合器的氧飽和度明顯優(yōu)于Quadrox 氧合器，充分體現了本文設計氧合器在血氧交換方面的優(yōu)越性能。

圖8 Quadrox 氧合器仿真結果的中截面云圖

將本文設計氧合器與Quadrox 氧合器在血液流量5 L/min 情況下的仿真值進行對比，詳見表1。

表1 2 種氧合器仿真值

2.7 流量均勻性對比

流量分布是否均勻是衡量流場優(yōu)劣的重要指標，流量分布越均勻，流場各部分壓力梯度、速度梯度越小，血液流動受到的阻力越小，紅細胞損傷越小，同時膜絲、水絲的利用率也越高。

以血液流量5 L/min 為例仿真計算了流場流量。在氧合器的2 個多孔介質區(qū)垂直流動方向上截取中截面，在每個中截面上選取一系列取樣平面（如圖9所示），通過計算每個平面的質量流量，進而得到流量標準差（詳見表2）。本文設計氧合器在熱交換區(qū)以及血氧交換區(qū)的流量均勻性標準差均小于Quadrox氧合器，因此其流量均勻性優(yōu)于Quadrox 氧合器。

表2 2 種氧合器流場流量標準差單位：L/min

圖9 2 種氧合器取樣平面示意圖

2.8 結論

通過仿真本文設計氧合器的壓力場、速度場、溫度場、血氧交換、流量均勻性，并以血液流量5 L/min為例，提取了中截面相關云圖，計算了跨膜壓差與血氧交換率。對比Quadrox 氧合器，本文設計氧合器整體性能與其處于同等水平，并在跨膜壓差、血氧交換和流量均勻性方面優(yōu)于Quadrox 氧合器，具有一定的優(yōu)越性。

3 氧合器性能實驗研究

3.1 循環(huán)回路搭建

根據設計和仿真制作了氧合器樣機，將其用于循環(huán)回路的搭建，實驗回路原理圖如圖10 所示。實驗設備主要包括氧合器、血泵、儲血罐、傳感器及測試裝置，主要對本文設計氧合器及Quadrox 氧合器的跨膜壓差及血氧交換率進行測試。

圖10 實驗回路原理圖

3.2 實驗結果與仿真結果對比

將實驗得到的數據與本文設計氧合器和Quadrox氧合器相關仿真數據繪制成折線圖，如圖11、12 所示，可知本文設計氧合器仿真值與實驗值吻合度較高，其誤差在合理范圍（15%以內）。分析造成誤差的主要原因有：（1）仿真使用了多孔介質模型，未體現真實的膜絲、水絲；（2）仿真模型中所有結構的壁面均為光滑壁面，實際氧合器殼體具有一定粗糙度；（3）僅對血液通路進行了仿真，實際氧合器包括氣路、水路和血液通路，其結構比仿真所用幾何模型復雜；（4）血氧交換模型與實際復雜的血氧交換過程相比存在一定程度的簡化，以上因素導致跨膜壓差的仿真值小于實驗值，血氧交換率的仿真值大于實驗值。同時，本文設計氧合器跨膜壓差實驗值低于Quadrox 氧合器實驗值，證明本文設計氧合器在跨膜壓差上優(yōu)于Quadrox 氧合器；另外，本文設計氧合器血氧交換率實驗值高于Quadrox 氧合器實驗值，證明本文設計氧合器在血氧交換率上優(yōu)于Quadrox 氧合器。

圖11 跨膜壓差折線圖

圖12 血氧交換率折線圖

4 結語

本文提出了一種新型氧合器的設計方案，并通過數值仿真和實驗測試2 種方式對其進行了研究，結果表明，在跨膜壓差、血氧交換效率方面，本文設計氧合器均優(yōu)于Quadrox 氧合器，在一定程度上解決了氧合器存在的跨膜壓差大、血氧交換效率低、易發(fā)血栓等問題。但本研究使用多孔介質模型替代真實的膜絲和水絲，未能將氧合器氣路和水路的三維結構考慮進仿真模型中，因此存在一定誤差。未來研究將致力于使用膜絲、水絲的三維模型代替多孔介質模型，同時全面考慮氧合器氣路和水路的三維結構，并構建更加精確的血氧交換模型，以進一步提升仿真的準確性。