心力衰竭是一种病理状态,由于其预后差、患病率和死亡率高,已经严重威胁人类健康。近年,旋转式心脏泵逐渐被应用于重度心衰患者的辅助治疗。然而,临床上心脏泵常工作于定转速模式。这种模式一方面降低了系统搏动性,可能导致胃出血、主动脉充盈等并发症,另一方面容易导致左心室抽吸、心脏泵反流等异常状态。因此,本文借助数值仿真和体外实验针对旋转式心脏泵辅助系统的抽吸和反流现象进行研究,并建立变转速控制系统对心衰患者进行变转速辅助。主要研究内容如下:耦合心血管和旋转泵模型,建立心脏泵辅助系统模型。首先,采用二尖瓣时变电阻模型和Suga模型建立左心血液循环系统模型,并对其进行校核。其次,将新型心脏泵模型和左心血液循环模型进行耦合,对心衰系统进行定转速辅助。结果表明,心血管模型可实现不同生理状态的模拟,而经过心脏泵辅助的心血管系统可产生符合生理的血流。应用耦合模型,研究旋转式心脏泵辅助系统的抽吸和反流,实现两者的检测。当泵转速提高至左心室压LVP出现负值,左心室发生抽吸现象。分析抽吸过程血液动力学参数特点,采用泵流量最小值包络线斜率dx₇/d_t进行抽吸检测。此外,根据动态封闭容腔理论,提出反流系数RI对反流进行检测,并根据RI和临界转速将反流分为轻度、中度和重度反流。建立基于PI算法的变转速控制系统,评价其在提高系统搏动性,抑制左心室抽吸和心脏泵反流的可行性。经变转速辅助后,心输出量CO为5.9L/min,主动脉压AoP的搏动系数为0.33,搏动性明显高于定转速模式。控制系统中,根据后负荷的变化实时调节泵转速,可有效抑制抽吸和反流。当AoP增大,系统通过提高转速抑制反流,而当AoP降低,则降低转速消除抽吸。搭建左心血液循环实验平台,开展旋转式心脏泵辅助系统的开环控制研究,实现抽吸和反流检测。结果表明,无泵辅助的系统CO和AoP符合生理,验证了实验系统可进行不同生理状态的模拟;经心脏泵辅助的耦合系统可产生符合生理的血流。同时,实验系统在开环控制下实现了抽吸的模拟,并通过dx₇/d_t实现抽吸检测;实现了轻度、中度和重度反流的模拟和检测。实验数据和数值数据相符,证实了抽吸和反流的检测方法的可行性。建立旋转式心脏泵的变转速控制系统,评价系统性能。变转速模式下,CO为6.1L/min,符合灌注要求;主动脉流量与AoP的搏动系数为0.22和0.13,明显高于定转速模式。调节R_S,模拟患者不同的运动状态,控制系统可根据运动状态及时调节泵转速,输出符合生理的流量信号。与数值结果类似,泵转速跟随着后负荷而改变,系统通过调节转速改变AoP以消除抽吸和反流。实验证明,该变转速控制系统可有效提高搏动性、抑制抽吸和反流,并具备良好的动态性能。