[发明专利]一种基于能量耗散的溶血经验预测方法及装置

说明书

本发明提供了一种基于能量耗散的溶血经验预测方法及装置，首先建立了一种基于能量耗散的溶血经验预测模型，根据所建立的模型进行溶血预测。所述溶血经验预测方法包括以下步骤：前期CFD(计算流体力学)计算准备工作；计算平均流能量耗散和湍动能耗散；定义溶血标量，计算溶血标量方程的源项；耦合CFD计算迭代求解溶血量。溶血预测装置包括：CFD计算前期准备模块、能量耗散计算模块、计算溶血源项模块、溶血求解模块。本发明提供的预测方法及装置，建立了能量耗散和血液损伤的定量关系，更符合物理实际；结果相较以往采用雷诺应力的计算结果低一个数量级以上，避免了以往模型高估湍流中溶血量的缺陷，做到了溶血的定量、定性估计。

技术领域

本发明涉及一种基于能量耗散的溶血经验预测方法及装置，属于生物医学工程人工器官技术领域。

背景技术

溶血是指血红细胞破裂，血红蛋白释放到血浆中的过程。在涉及到血液循环的人工器官中，如心室辅助装置(VAD)中，流场中会产生很高的非生理性剪切应力，由此导致的溶血问题一直是业内所关注的焦点。在心室辅助装置的研发过程中，计算流体力学(CFD)模拟结合溶血经验预测模型已被广泛用于预测溶血量，辅助血液相容性设计。目前主流的溶血预测模型认为溶血量与等效剪切应力和暴露时间t呈指数关系：

其中，HI(％)或D表示溶血指数；表示等效剪切应力，是标量,可以由应力张量算得；Hb表示血红蛋白的总浓度；hb表示血浆中游离血红蛋白的增加；C,α和β是经验常数，一般通过溶血实验数据拟合而得到。

等效剪切应力τ_eff由应力张量降阶计算得到，在层流中的形式简单明了，在复杂的湍流中则难以估算。通常的做法是采用雷诺应力估算湍流剪切应力。雷诺应力是N-S动量方程时间平均之后产生的一个未封闭项，代表了所有尺度速度脉动的平均动量通量。从这个意义上讲，它是数学公式变换的一个产物，虽然具有应力的量纲，但不是物理意义上的力，也不能完全表征血细胞所处的力学环境。之前的研究证实，雷诺应力用于预测湍流中的溶血量误差较大，大大高估了溶血量。

湍流最显著的特征是能量传递，即能量从大尺度的含能运动传递到小漩涡中，而更小的漩涡将湍动能通过摩擦的转化成热，这个过程称作能量耗散。血液损伤本质上可以视作流场中能量传递和耗散中的一环：流场中的一部分能量耗散掉了，作用于血红细胞上，造成了血液损伤。从这个意义上讲，能量耗散比N-S方程数学变换的产物雷诺应力更适合用来估算溶血。尽管如此，目前溶血和能量耗散之间的定量关系仍是空白。

发明内容

本发明的目的是为了改善溶血经验预测的精度，辅助血液循环人工器官的血液相容性。本发明从能量耗散的角度提出了溶血经验快速预测模型及硬件，来统一计算所有流动状态(层流、过渡流和湍流)中的溶血；相较传统以应力为基础的溶血预测模型，其对于湍流的溶血预测结果降低了一个数量级以上，与实验结果更加吻合，大大改善了湍流中溶血预测的精度；同时降低了对计算机硬件的要求，使溶血计算更容易实现。

本发明的一种基于能量耗散的溶血经验预测方法，可通过湍流预测的RANS方法(Reynolds Averaged Navier-Stokes,雷诺平均方法)如k-ε、k-ω等模型，或LES方法(Large-eddy simulation,大涡模拟方法)模拟湍动能耗散，与平均流能量耗散相加即可得到总的能量耗散，因而适用于各种流动机制；新模型本身更具有物理意义，即溶血本身即是流场中能量耗散的直接产物。

假设血液是单相流、牛顿流体，则动量方程可以由下式给出

其中U为速度向量；f表示体积力；τ表示瞬时剪切应力，其表达式为：

τ＝2μS (3)

其中μ表示动力粘度；S为应变率张量，表达为：