旋磨氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及有效性分析

王常焰 張劼 葉萍 常兆華

0 引言

冠狀動(dòng)脈鈣化(coronary artery calcification,CAC)是動(dòng)脈粥樣硬化的表現(xiàn)之一，其中內(nèi)膜鈣化是冠狀動(dòng)脈鈣化的主要類型[1],而重度內(nèi)膜鈣化則會(huì)影響血管堵塞。目前對(duì)于重度鈣化或者堵塞的血管，球囊無法擴(kuò)張或者擴(kuò)張受限，同時(shí)支架也無法植入，冠狀動(dòng)脈旋磨術(shù)(rotational atherectomy，RA)是最有效的治療手段[2]。

冠狀動(dòng)脈旋磨術(shù)是利用帶有金剛石顆粒的磨頭對(duì)鈣化病變位置進(jìn)行打磨修飾，擴(kuò)大管腔，使預(yù)擴(kuò)張球囊和支架順利通過及擴(kuò)張[3]。目前的旋磨導(dǎo)管系統(tǒng)是采用鑲嵌金剛石顆粒的磨頭，其旋轉(zhuǎn)速度達(dá)140 000～150 000 r/min，當(dāng)鈣化斑塊被高速旋轉(zhuǎn)的磨頭磨成直徑<10 μm的顆粒后隨血液進(jìn)入外周循環(huán)系統(tǒng)，可被肝、肺、脾的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)吞噬[4-6]。

旋磨氣動(dòng)渦輪馬達(dá)是旋磨導(dǎo)管系統(tǒng)的核心零部件之一，也是動(dòng)力的來源，在很大程度上是影響旋磨頭的磨削效率的,且磨削動(dòng)力是通過旋磨推進(jìn)系統(tǒng)中的渦輪轉(zhuǎn)子輸出的。目前渦輪轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)方式有兩種：一是高頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，二是氣壓驅(qū)動(dòng)。氣壓驅(qū)動(dòng)的渦輪轉(zhuǎn)子具有高轉(zhuǎn)速、高運(yùn)行效率以及機(jī)械加工容易等優(yōu)點(diǎn)。氣壓驅(qū)動(dòng)的渦輪轉(zhuǎn)子按照氣體流動(dòng)方向分為徑向式和軸向式。而氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分為沖動(dòng)式渦輪轉(zhuǎn)子和變形沖動(dòng)式渦輪轉(zhuǎn)子。沖動(dòng)式渦輪由于葉片形狀是曲面，其氣動(dòng)效率和能量轉(zhuǎn)換率更高，其能量轉(zhuǎn)換形式是將氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能[7]，但是機(jī)械加工困難。變形沖動(dòng)式渦輪其葉片的形狀是由沖動(dòng)式渦輪改進(jìn)而來，設(shè)計(jì)成局部圓柱結(jié)構(gòu)[8]。局部圓柱結(jié)構(gòu)有效地加大了氣流沖擊的面積，有利于提高渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速[9]。目前美國(guó)波士頓科學(xué)公司研發(fā)Rotablator旋磨治療儀系統(tǒng)中的氣動(dòng)渦輪馬達(dá)采用的是尖型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到140 000 r/min以上。國(guó)內(nèi)外對(duì)于旋磨系統(tǒng)中的氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)研究比較少，更多的研究是基于國(guó)外的旋磨系統(tǒng)進(jìn)行磨削力、產(chǎn)熱等實(shí)驗(yàn)研究。而旋磨氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)也為日后整個(gè)旋磨系統(tǒng)的優(yōu)化提供一定的參考和幫助。

本文基于對(duì)高速氣動(dòng)渦輪理論和牙科手機(jī)中渦輪轉(zhuǎn)子的研究和分析，設(shè)計(jì)并制造出了3種結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子，利用ANSYS FLUENT軟件研究渦輪馬達(dá)轉(zhuǎn)子葉片上的壓力分布，在直型和彎型的動(dòng)脈模擬血管中進(jìn)行有無鈣化物的磨削實(shí)驗(yàn)，研究3種結(jié)構(gòu)的渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與供氣壓力之間的關(guān)系，使其與目前旋磨系統(tǒng)中的渦輪轉(zhuǎn)子相兼容。

1 旋磨氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋磨推進(jìn)系統(tǒng)主要由氣動(dòng)渦輪馬達(dá)、推進(jìn)器旋鈕、導(dǎo)絲制動(dòng)器組成。其中推進(jìn)器旋鈕是便于醫(yī)生操作磨頭平移前進(jìn)或后退，導(dǎo)絲制動(dòng)器主要是鎖住導(dǎo)引導(dǎo)絲，防止導(dǎo)引導(dǎo)絲跟隨驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)[10]。氣動(dòng)渦輪馬達(dá)是旋磨系統(tǒng)中的動(dòng)力裝置，將高壓氣體的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為旋磨裝置的自轉(zhuǎn)。

1.1 氣動(dòng)渦輪馬達(dá)構(gòu)造

氣動(dòng)渦輪馬達(dá)主要由外殼、渦輪轉(zhuǎn)子、驅(qū)動(dòng)軸、軸承、生理鹽水注入閥組成，外殼上設(shè)有進(jìn)氣口、出氣口、光纖測(cè)速口和鹽水輸入口，如圖1所示。光纖接入口連接著光纖，通過示波器來測(cè)得渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。鹽水輸入口接通生理鹽水導(dǎo)管，一是便于沖刷鈣屑，二是防止高速磨頭接觸鈣化斑瞬間產(chǎn)生高溫[10]。

圖1 氣動(dòng)渦輪馬達(dá)結(jié)構(gòu)Figure 1 Pneumatic turbine motor structure

壓縮氣體通過進(jìn)氣口驅(qū)動(dòng)渦輪馬達(dá)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子軸通過軸承帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)軸通過導(dǎo)管座與前端導(dǎo)管相連接，帶動(dòng)旋磨頭高速旋轉(zhuǎn)，去除嚴(yán)重的鈣化病變。

1.2 氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

通過對(duì)氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子的理論研究[8-9]以及牙科手機(jī)的氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分析[11-13]，渦輪轉(zhuǎn)子的葉寬、葉高、以及葉形是影響氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子性能的主要因素。而目前旋磨系統(tǒng)裝置中渦輪轉(zhuǎn)子的葉形采用尖型結(jié)構(gòu)，而在牙科手機(jī)中渦輪轉(zhuǎn)子的葉形多采用直型和凹型結(jié)構(gòu)。因此本文通過高速渦輪的理論公式確定轉(zhuǎn)子的基本尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)尖型、直型和凹型3種葉形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子。

通過SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出3種不同結(jié)構(gòu)的渦輪轉(zhuǎn)子，如圖2所示。氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子的外周半徑為5.5 mm，轉(zhuǎn)子的厚度設(shè)計(jì)為2.5 mm,由于葉片的角度在非90度的情況下，不易加工，所以將葉片的角度統(tǒng)一設(shè)計(jì)為直角。考慮到葉片過多將會(huì)影響轉(zhuǎn)子自身的強(qiáng)度，過少將會(huì)增加葉片氣流損失，所以將轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成8葉片結(jié)構(gòu)。渦輪轉(zhuǎn)子的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖2 尖型、直型、凹型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子Figure 2 Tip，straight，concave structure rotor

表1 渦輪轉(zhuǎn)子的相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of turbine rotor

2 數(shù)值模擬

通過數(shù)值模擬軟件對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子的葉片進(jìn)行壓力分析，得出在供氣壓力為0.5 MPa的情況下，3種結(jié)構(gòu)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片上壓力分布云圖以及氣壓值。

2.1 渦輪馬達(dá)轉(zhuǎn)子流體域的建立

在Solidworks軟件中建立渦輪馬達(dá)轉(zhuǎn)子的流體域[14]，考慮到分析計(jì)算的需要，將三維模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，即忽略軸承、軸承端密封性以及光纖接入口等，如圖3所示，將建立的渦輪馬達(dá)流體域的模型導(dǎo)入到ANSYS FLUENT 中。求解條件如表2所示,采用不可壓縮κ-ε湍流模型進(jìn)行分析[15-16],壓力基求解器對(duì)模型進(jìn)行求解。用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格數(shù)量平均在360 000左右。表3為渦輪轉(zhuǎn)子流體域的邊界條件。

圖3 氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子計(jì)算域Figure 3 Calculation domain of pneumatic turbine rotor

表2 求解條件Table 2 Solution conditions

表3 渦輪轉(zhuǎn)子流體域邊界條件Table 3 Boundary conditions of turbine rotor fluid domain

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

3種結(jié)構(gòu)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片上的壓力分布云圖以及氣壓值，如圖4和表4所示。表4中的壓差表示的是葉片上所受氣壓的最大值減去最小值。如表4所示，尖型、直型和凹型轉(zhuǎn)子葉片上受到的氣壓存在一些差異，尖型和凹型渦輪轉(zhuǎn)子葉片上受到的最大氣壓為0.32 MPa，而直型渦輪轉(zhuǎn)子葉片上受到最大氣壓為0.34 MPa且壓差達(dá)到0.15 MPa。從圖4中能夠明顯看出與尖型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子相比，凹型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子受到氣流的沖擊面積更大，這正是因?yàn)榘夹徒Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子采用局部圓柱結(jié)構(gòu)，增大了與氣流的接觸面積。而直型渦輪轉(zhuǎn)子由于葉高的限制受高壓面積較小，氣流也沒有充分沖擊到葉片上，將會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)損失，使得渦輪轉(zhuǎn)子效率降低，并且壓差過大也會(huì)導(dǎo)致葉片上受壓不均勻。

圖4 渦輪轉(zhuǎn)子壓力分布云圖Figure 4 Pressure distribution nephogram of turbine rotors

表4 尖型、直型和凹型葉片的氣壓值 (單位：MPa)Table 4 Pressure values of tip，straight and concave blades(unit：MPa)

3 物理實(shí)驗(yàn)

體外測(cè)試的主要目的是探究尖型、直型、和凹型渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與供氣壓力之間的關(guān)系以及能否有效去除堵塞的鈣化物。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與過程

外殼模型采用3D打印(材質(zhì)為光敏樹脂)方式加工，轉(zhuǎn)子使用鋁合金材料，采用機(jī)加工的方式進(jìn)行加工，將所有的零部件進(jìn)行裝配，3種結(jié)構(gòu)的渦輪馬達(dá)如圖5所示，并且搭配特制的旋磨導(dǎo)絲以及偏心結(jié)構(gòu)磨頭構(gòu)成簡(jiǎn)易的旋磨導(dǎo)管系統(tǒng)。將制作好的鈣化物模型(見圖6)，裝配在心臟模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的直型和彎型的動(dòng)脈血管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加壓袋給500 mL的生理鹽水袋加壓，壓力值在200 mmHg(1 mmHg=133.3 Pa)。利用壓力表來測(cè)量進(jìn)氣壓力，將搭配好的旋磨導(dǎo)絲輸送到模擬鈣化物的遠(yuǎn)端，磨頭沿著導(dǎo)絲輸送至病變鈣化物的近端，對(duì)其鈣化物進(jìn)行磨削，利用漫反射式光纖傳感器探頭通過對(duì)旋轉(zhuǎn)軸反射的光強(qiáng)的變化產(chǎn)生脈沖，脈沖信號(hào)通過示波器顯示出來的原理，測(cè)得其轉(zhuǎn)速。將光纖探頭連接到氣動(dòng)渦輪中光纖傳感器的接入口，由于轉(zhuǎn)子帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸時(shí)，探頭照射在反光孔位置時(shí)光強(qiáng)不同，變化的光強(qiáng)產(chǎn)生脈沖信號(hào)傳遞給示波器，通過示波器顯示的頻率與反光孔的關(guān)系，可以測(cè)得轉(zhuǎn)速n=60f/z;其中f表示頻率；z表示反光孔的數(shù)量。

圖5 尖型、直型和凹型結(jié)構(gòu)渦輪馬達(dá)Figure 5 Turbine motors with tip，straight and concave configurations

圖6 動(dòng)脈血管模型Figure 6 Arterial vascular model

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用簡(jiǎn)易的旋磨導(dǎo)管系統(tǒng)，在心臟模型平臺(tái)中的直型和彎型的動(dòng)脈血管進(jìn)行轉(zhuǎn)速性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。尖型、直型和凹型渦輪轉(zhuǎn)子在0～0.5 MPa的供氣壓力情況下，其轉(zhuǎn)速均能夠達(dá)到140 000 r/min，并且能夠有效去除堵塞的鈣化物。3種結(jié)構(gòu)渦輪轉(zhuǎn)子在直型無鈣化動(dòng)脈血管中轉(zhuǎn)速均能達(dá)到200 000 r/min,三者在彎型無鈣化物的動(dòng)脈血管中測(cè)得最高轉(zhuǎn)速分別達(dá)到175 000 r/min、215 000 r/min、210 000 r/min，在彎型有鈣化物的磨削實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)速在150 000 r/min左右。從圖7(a)和圖7(b)發(fā)現(xiàn)尖型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子在有鈣化物磨削過程中轉(zhuǎn)速下降明顯，下降到140 000 r/min，并且轉(zhuǎn)速存在異常波動(dòng)。如圖7(c)和圖7(d)所示，直型轉(zhuǎn)子在無鈣化物動(dòng)脈血管中轉(zhuǎn)速迅速上升，在進(jìn)行有鈣化物磨削時(shí)，彎型血管對(duì)其轉(zhuǎn)速有較大的影響，轉(zhuǎn)速下降明顯。如圖7(e)和圖7(f)所示，凹型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子在無鈣化物動(dòng)脈血管中轉(zhuǎn)速明顯上升，在有鈣化物的動(dòng)脈血管中，雖然轉(zhuǎn)速上升較為緩慢，但是血管結(jié)構(gòu)對(duì)其轉(zhuǎn)速僅產(chǎn)生輕微影響。

圖7 測(cè)試結(jié)果Figure 7 Test results

4 討論與結(jié)論

目前美國(guó)波士頓科學(xué)公司最新一代ROTAPROTM旋磨系統(tǒng)在供氣壓力為0.7 MPa時(shí)，轉(zhuǎn)速為140 000～165 000 r/min。本文在供氣壓力為0.5 MPa時(shí)，3種結(jié)構(gòu)的渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速均達(dá)到140 000 r/min，能在更低的供氣壓力情況下，搭配偏心磨頭也能夠有效去除鈣化物。由于國(guó)內(nèi)暫無此類產(chǎn)品，本研究對(duì)整個(gè)旋磨系統(tǒng)的開發(fā)起到一定的幫助。

從數(shù)值模擬的結(jié)果來看凹型結(jié)構(gòu)比尖型結(jié)構(gòu)的渦輪轉(zhuǎn)子受到氣流沖擊面更大，流動(dòng)損失更小，將會(huì)使渦輪轉(zhuǎn)子的性能更優(yōu)異，而直型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子葉片上受壓不均勻，將會(huì)使渦輪轉(zhuǎn)子效率降低。旋磨氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子的優(yōu)異性主要表現(xiàn)在：(1)轉(zhuǎn)速，在更低的供氣壓力的情況下，獲得更高的轉(zhuǎn)速；(2)在直型和彎型血管中轉(zhuǎn)速下降范圍，下降范圍越小，說明血管的彎曲程度對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速影響越小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也反映出凹型轉(zhuǎn)子在直型和彎型的血管中進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，依然保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，直型轉(zhuǎn)子在進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速下降十分明顯。尖型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子在進(jìn)行有鈣化物的磨削實(shí)驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了異常波動(dòng)，出現(xiàn)異常波動(dòng)的原因可能有兩個(gè)方面：(1)由于旋磨系統(tǒng)操作需要臨床醫(yī)生進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，而課題組在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)操作手法不夠熟練，推進(jìn)速度存在一些偏差；(2)實(shí)驗(yàn)過程中推力太大，使前端磨頭嵌頓到鈣化物中，造成短暫的失速。

本文通過氣動(dòng)渦輪的理論研究以及牙科手機(jī)中的氣動(dòng)渦輪馬達(dá)轉(zhuǎn)子的研究，確定渦輪轉(zhuǎn)子的相關(guān)參數(shù)，使用SolidWorks軟件建立尖型、直型和凹型3種結(jié)構(gòu)的旋磨氣動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子的三維模型，在ANSYS FLUENT軟件中建立渦輪轉(zhuǎn)子流體域模型，對(duì)其葉片進(jìn)行壓力分析，發(fā)現(xiàn)在受壓相同的情況下，凹型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子由于自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)受到氣流沖擊面更大，使得渦輪轉(zhuǎn)子的效率更高。并且在直型和彎型的動(dòng)脈血管模型中，進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均能達(dá)到140 000 r/min以上，并且能夠有效磨削堵塞的鈣化物。尖型轉(zhuǎn)子在進(jìn)行有鈣化物的磨削實(shí)驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速下降的幅度偏大，直型轉(zhuǎn)子在直型和彎型的動(dòng)脈血管中進(jìn)行鈣化物去除時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)性比較大，而凹型轉(zhuǎn)子在進(jìn)行有鈣化物磨削時(shí)，轉(zhuǎn)速下降范圍和波動(dòng)都偏小，綜合以上，認(rèn)為凹型轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速性能方面是優(yōu)于另外兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子,并且能夠滿足當(dāng)前旋磨系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速要求。