全球心力衰竭的患病率及患者的死亡率逐年升高，单纯的药物治疗并不能取得令人满意的效果，因此机械辅助循环逐渐成为治疗心力衰竭的主要方法之一^[1]。主动脉内球囊反搏装置(IABP)因植入简单、安全且价格低廉，已成为较为常用的循环辅助装置，但IABP也存在明显的缺点：(1)由于其提供的血流动力学支持有限，辅助效果并不十分理想；(2)导管植入部位限制患者活动而不能长期应用^[2]。张杰民针对主动脉内球囊反博装置存在的问题，以及内反搏装置临床使用中成本高等不利因素，在国际上首次提出了一种新型外置主动脉旁反搏装置(PACD)(专利号：2010202754034)，相对而言能够更加显著地增加舒张期冠脉血液，降低左心室的氧耗和改善心脏功能，在临床医学中具有十分广泛的潜在应用价值，受到国内外学者们的关注^{[3, 4, 5]}。

反搏装置内流场分布直接影响反搏装置的性能，对装置血流动力学性能评定、结构改进及优化、提高装置运行效率等起到至关重要的作用^{[6, 7, 8]}，反搏装置研究的关键内容之一就是对装置内流场的研究，因此也成为医学界的热点问题。Berthe A^[9]等人利用PIV(激光粒子图像测速仪，Partical Image Velocimetry)和LDV(激光多普勒测速仪，Laser Doppler Velocimetry)对内置反搏血泵的内流场进行研究，发现了内反搏血泵中存在螺旋流，并证明该流动结构能够防止血栓的形成。Knig C S^[10]等人利用LDV和CFD(计算流体动力学，Computational Fluid Dynamics)的方法，对比了内反搏装置内的流场数据，并根据实验结果优化了反搏装置中的半球形腔体结构。Giridharan G A^[11]利用CFD和PIV对主动脉内球囊反搏装置中流体运动进行了研究，发现装置在充满液体的过程中存在强大的移动涡，并不存在血液停滞的现象。

和内置反搏装置相比，对外置反搏装置血流动力学的研究较少。伍贵富^[12]通过实验研究，发现体外反搏装置的应用可以加速动脉中的血液流动，提高血流切应力，能够有效防止动脉粥样硬化。梅卫义^[13]发现体外反搏装置具有和体内反搏装置相同的血流动力学即时效应，并证明了体外反搏装置在临床应用中具有明显的优势。这2篇文献只是分析外反搏装置用于心脑血管病治疗的优点所在，不是外反博装置本身流场及性能的研究。全面获得外反搏装置流场分布对分析外反搏装置机理及装置优化等具有重要的意义。现有对外置反搏装置研究尚没有开展针对装置内流场的研究，目前对流场的研究主要为CFD数值计算和PIV实验测量2种方式，PIV实验测量技术具有非接触、精度高的特点，十分适用于反搏装置内流场测量，具有不可替代的作用。本文运用PIV技术对新型外置主动脉旁反搏装置(下文简称液囊)内的流场进行测量，并对所获流场进行分析。

实验所用的外置主动脉旁反博装置模型为一个透明的液囊，内部分气腔和液腔2个腔室，腔室之间通过一层透明软膜隔开，如图 1所示。工作原理为当气体从气体进出管吸入时，气腔膨胀，通过软膜鼓起的作用将液腔中的液体推出；反之，当气腔中的气体被抽走，软膜坍陷，将液腔外的液体吸入。实验利用德国Lavison公司的TR(Time-Resolved)PIV系统对液囊的3个不同截面流场进行测量，3个测量截面分别为：与液囊圆周平行的截面(记为A1)、与液囊圆周垂直且与液囊中进出液管平行的截面(记为A2)、与液囊圆周及进出液管垂直的截面(记为A3)。A1、A2和A3截面均包含9种不同的工况：抽吸频率为40、60和80次/min，吸气量为40、60和80ml/次，共计27种实验工况。定义水平方向为x方向，速度为u；竖直方向为y方向，速度为v；径向方向为z方向，速度为w。实验过程中，液囊模型镶嵌在有机玻璃平板中，有机玻璃平板固定在长方形的水槽中。在前人所做的关于血液动力学研究中，均采用甘油水溶液，证明研究甘油水溶液的流动特性规律可以一定程度上反映血液流动的动力学特征^{[11, 14, 15, 16]}。液囊液腔及水槽中均充入甘油水溶液，液囊所用材质为聚氨酯(折射率为1.47)。

图 1 液囊与实验装置示意图 Fig 1 Schematic diagram of sac model and experimental setup

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PIV系统激光器为双腔激光器(型号为：LPY 600/700)，功率为100mJ，最高工作频率为100Hz，CCD相机的分辨率为2 048 pixel×2 048 pixel。为保证流动速度和粒子图像的相关性，实验采用双帧双曝光采集模式(频率为60Hz)。实验所用示踪粒子为直径20μm的PSP微球(ρ=1.05g/cm³)。由于不同工况对应的液囊内流动速度不同，因此，不同工况下PIV双帧测量的时间间隔ΔT也应不同。在同一截面上，抽吸频率相同进气量不同时，吸气量与ΔT呈反比关系；吸气量相同时，抽吸频率与ΔT呈反比关系，具体如表 1所示。每种工况共采集数据1800组，共3600张照片，粒子图像互相关计算查询窗口大小为48 pixel×48 pixel，迭代率为50%。

图 2为A1截面上平均速度矢量分布和速度云图的叠加图，抽吸频率为40次/min，吸气量分别为：40、60和80ml/次；图中，上方的缺口位置是液囊中进出液管的位置，由于管壁附近材料的透明度较差导致该区域的粒子质量较差，在进行粒子图像的互相关计算中将这一局部区域采取了删除处理。图 2(a)~(c)分别为不同吸气量情况下平均速度矢量和水平方向速度云图分布的叠加图，叠加图表明水平方向速度的最大值出现在上半部分液体进出口附近，原因是由于进出口的流体不断地喷射和被吸入，导致连续产生二次涡流现象，亦对附近的流体产生了卷吸作用，使得进出口附近水平方向上的流体速度出现较大值；图 2(d)~(f)分别为不同吸气量情况下平均速度矢量和垂直方向速度云图分布的叠加图，叠加图表明竖直方向的最大值出现在右半部分液体进出口附近，一方面是由于二次涡流现象的影响，另一方面是当工况为吸入液体时，该处的流体进入液囊的时间尚短，所受的摩擦损耗较低，因此右半部分出现了竖直方向速度的最大值。

图 2 抽吸频率40次/min，不同吸气量工况下，A1截面平均速度矢量和速度云图叠加图 Fig 2 With pumping frequency of 40 times/min, cross-sectional average velocity vector and velocity cloud at Al cross section under different suction gas condition

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从图 2可以看出，在不同的实验工况下，速度矢量均呈现出逆时针旋转的流动态势，表明在气腔的抽吸作用下，内部流场的时间平均结果呈现出逆时针旋转的流动趋势，同一抽吸频率下，内部流体的流动速度与吸气量成正比关系，这主要是由于流体流动空间大小不变，提高吸气量致使流速增大。对抽吸频率分别为60和80次/min不同吸气量的工况进行了实验，截面A1的流场呈现出与图 2类似的分布情况，流动呈逆时针运动的趋势，并随着吸气量的增大，内部流体的旋转速度也随之增大。

同一吸气量且不同抽吸频率的实验结果对比表明，随着抽吸频率的加快，内部的流动速度也会随之增加。从截面内速度矢量分布来看，液囊内中心部位流体在受到液囊内部流体总体漩涡式流动趋势的影响下，呈现出较低的速度分布；由于液囊模型的空间形状以及边界的影响，液囊圆周边角位置处的流体速度相对较低；液囊中心和边界之间过渡的同心圆环区域内为高速流体。

雷诺应力由湍流脉动产生。雷诺应力和湍流脉动强度越大，流体微团的动量交换越剧烈，可使装置中液体(实际应用中则为血液)不易凝固。

图 3给出了液囊内部流场在抽吸频率40次/min，吸气量为40、60和80ml/次的工况下，截面A2内雷诺应力空间分布(在实验处理过程中，发现雷诺应力的计算结果在实验数据大约为1800个速度样本时基本能达到收敛，计算结果不再随数据样本量的增加而发生明显波动，表明雷诺应力的分布结果具有统计意义上的可靠性)。可以发现随吸气量增加，截面A2内的雷诺应力强度也随之增加，流动的脉动特征逐渐增强。当吸气量较低时，在截面A2靠近液囊外壁部位的雷诺应力与液体进出口附近的雷诺应力相反，原因是液囊内部逆时针旋转流动作用下，在液囊液体进出口位置附近且靠近液囊球面一侧，出现了二次流动结构，但在大吸气量的工况下，由于液囊内部流体强烈的冲刷作用破坏了二次流，导致没有出现相反的雷诺应力，如图 3(c)所示。液囊液体进出口的位置和形状对内部流场影响另文论述。

图 3 抽吸频率40次/min，不同吸气量工况下，A2截面上径向方向速度和竖直方向速度的雷诺应力的分布情况 Fig 3 With pumping frequency of 40 times/min, the Reynolds stress in the radial direction and vertical direction of the velocity at the A2 cross section under each suction gas condition

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其它抽吸频率的实验结果云图也获得与图 3相同的雷诺应力和脉动强度分布规律。从获得的实验结果可知，同一吸气量下，随着抽吸频率的增加，截面上的雷诺应力强度和脉动特征均逐渐增大。

图 4给出了液囊内部流场在抽吸频率40次/min，吸气量为40、60和80ml/次的工况下，截面A3内雷诺应力空间分布。通过比较其它未列出的实验数据，可以发现该截面与A2截面类似，随着抽吸频率和吸气量的增加，截面内的雷诺应力强度也随之增加，流动的脉动特征逐渐增强。

图 4 抽吸频率40次/min，不同吸气量工况下，A3截面上径向方向速度和水平方向速度的雷诺应力的分布情况 Fig 4 With pumping frequency of 40 times/min, the Reynolds stress distribution along the radial direction and horizontal direction of the velocity at the A3 cross section under each suction gas condition

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通过图 3和4可以发现，2个截面中进出口位置附近流体的雷诺应力较大，原因是刚刚进入液囊的流体能量耗散小，运动更加剧烈，动量交换更强。在医学应用过程中，进出口附近的血液运动剧烈，不易凝固。

在液囊进出口附近存在一个局部区域，该区域中的速度分布能够体现液囊中液体运动的周期性特点，在该区域中选取一个点进行速度计算(见图 2中的白色小点)。这里只给出抽吸频率为60次/min工况下，液囊进出口位置附近水平方向瞬时速度(u)和竖直方向瞬时速度(v)随时间的分布情况，如图 5所示，(a)吸气量为40ml/次；(b)吸气量为60ml/次；(c)吸气量为80ml/次。图 5可以证明随着吸气量的增加，水平方向的速度分量和竖直方向的速度分量均有一定程度的增加，同时水平方向的瞬时速度分量和竖直方向的瞬时速度分量均呈现出了准周期性的特征，在实验所测量的时间范围内约包括30个周期。

图 5 抽吸频率60次/min，不同吸气量工况下，液囊模型液体进出口处速度随时间的变化情况 Fig 5 With pumping frequency of 60 times/min, the change of inlet & outlet liquid velocity of sac model over time under each suction gas condition

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对随时间分布的瞬时速度信号进行傅里叶变换，求得瞬时水平速度信号的频谱分布情况，如图 6所示，抽吸频率为40、60和80次/min时，所对应频率为f=0.645Hz、f=0.94Hz、f=1.38Hz时频谱达到最大值，速度频谱分析的结果与实验结果相吻合。证明了液囊内的流体对抽吸频率能够同步响应，液囊中的流体在进出口流体喷射的作用下能够周期性地循环运动，并没有因为液囊中压力的变化而导致响应延迟。图 7为截面A1在抽吸频率40次/min，吸气量为60ml/次情况下，周期相位平均速度矢量和涡强分布叠加图。图 7(a)~(f)所对应的时间分别为T₀；T₀+1/8T_C；T₀+2/8T_C；T₀+3/8T_C；T₀+4/8T_C；T₀+5/8T_C；T₀+6/8T_C；T₀+7/8T_C，其中T_C为抽吸的时间周期，约为1.07s。可以看出在一个周期内，涡强随着抽吸作用在不断变化，在吸气过程中，涡强渐渐增大，但在吸气将要结束时，涡强逐渐减小(见图 7(a)～(d))；类似的，呼气过程中，涡强也在逐渐增大，在呼气将要结束时，涡强又逐渐减小(见图 7(e)~(h))。同时拟序湍涡的中心点随着抽吸作用不断地移动，尤其在吸气过程结束，呼气过程刚开始时表现得更加明显，这就保证了中心处的流体能够和周围流体充分交换，并没有出现滞留现象。在实际应用过程中，便能够保证反搏装置内的血液不凝固。

图 6 不同抽吸频率下，液囊模型液体进出口处速度的频谱分布情况 Fig 6 Inlet & outlet liquid velocity spectrum of sac model wiht different pumping frequencies

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图 7 截面A1，液囊模型抽吸频率为40次/min，吸气量为60ml/次情况下，周期相位平均速度和涡强分布情况 Fig 7 Under the condition of 40 times/min and 60ml/second, conditional phase average velocity and vortex intensity distribution at cross section A1

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本次实验运用PIV测量技术对外置主动脉旁反搏装置的腔内不同截面，共27种工况下的PIV实验数据进行分析，获得如下结论：

(1) 液囊进出口附近流体运动存在周期性特性，并且流体运动能够同步响应抽吸频率，拟序湍涡的中心点在不断移动，实际应用中可保证血液流动时动量充分交换，不易凝固；

(2) 液囊进出口附近的流体能量耗散小，动量交换更加强烈，并且进出口附近雷诺应力较大，也有利于血液在主动脉旁反搏装置中以液态形式存在；

(3) 反搏装置内部流场主要是以旋转的形式存在，液囊进出口的位置和形状对内部流场的影响较大，液囊进出口附近存在二次流动，实际应用中主动脉旁反搏装置液体进出口的选择存在最优位置。