COMSOL Multiphysics®在生物医学行业的8种用途

2021年6月10日

生物医学应用通常是多物理性质的,从机械心脏泵植入到疫苗存储设备,再到血液分析仪。因此,多物理模拟可以帮助彻底改变生物医学设备和过程的设计和分析方式。在这里,我们分享了8个真实的例子,说明生物医学行业的工程师和研究人员如何使用COMSOL Multiphysics®软件来推进他们的创新,救生设计。

1.左心室辅助装置

心力衰竭或充血性心力衰竭心脏衰竭仅在美国,就有600多万成年人受到这种疾病的影响。这种常见的疾病发生在心脏不能向全身输送足够的血液和氧气的时候。缓解心力衰竭的一种方法是左心室辅助装置(LVAD),一种机械泵,当植入胸部时提供循环支撑。LVAD通常被称为“桥接到移植桥”,因为它们通常用于治疗等待心脏移植的患者。然而,它们也可以用作由于潜在的医疗条件而无法接受心脏移植的患者的长期治疗选择。

正如预期的那样,LVAD的设计往往很复杂。它们需要:

  • 足够强大的功能正常工作(〜10瓦范围)
  • 小到可以放进病人的胸部
  • 由与人体相容的材料制成

为了设计具有所有这些特性的LVAD,雅培实验室的研究人员使用了仿真。例如,他们使用COMSOL Multiphysics来帮助设计LVAD的离心泵。为了防止泵内部和周围的血液凝结(设计LVAD时的一个常见挑战),研究人员选择在LVAD的设计中加入一个磁悬浮转子。利用该软件,研究人员能够对LVAD中的转子和湍流进行建模和分析。

一个LVAD的磁悬浮转子(左上)和泵室(左下)的仿真。左心室辅助装置离心泵的图示(右)。
磁悬浮转子(左上角)的模拟,泵室中的流体流动的CFD模拟(左下),以及LVAD的离心泵(右)的图示。

此外,研究人员对LVAD控制器进行了机械冲击分析,以研究其弹性。控制器有助于为LVAD供电、控制和监控其性能。

“我每天都使用COMSOL Multiphysics,从概念验证模型到以详细CAD几何和耦合物理为特征的非常复杂的模拟。在从一些复杂的模型中获取我想要的所有信息之前,我已经使用了几个月。”

–阿伯特实验室高级研发工程师Freddy Hansen

2.疫苗储存

根据疾病预防与控制中心(CDC),疫苗储存在减少常见可预防疾病的传播方面发挥着重要作用。不幸的是,许多疫苗由于其严格的温度要求而变质并浪费。

作为全球良好计划的一部分,知识企业(IV)的创新者设计了被动疫苗储存设备(PVSD),以安全地将疫苗交通到世界各地。在使用时,它设计用于在0°C和10°C的温度之间保持疫苗,用一批冰块。其壳体提供多层绝缘,其由反射铝的薄层,低导电性空间和非导电真空空间组成。PVSD不需要外部电源功能。

一种被动疫苗储存装置模型。
基于COMSOL Multiphysics的PVSD热模拟。

在设计阶段,研究人员在温度与撒哈拉以南非洲相似的环境室内测试了几种PVSD原型的性能。为了优化PVSD系统的设计,在构建原型之前,该团队使用了COMSOL Multiphysics及其各种附加模块,包括传热模块和分子流模块。

使用实验和仿真,该团队能够设计一种易于运输的PVSD,可让疫苗冷却到整个月,允许安全地运输到世界各地的疫苗 - 即使在有限或没有的地方电。

3.消融技术

在2020年,肝癌是全球第三大癌症相关死亡原因,造成80多万人死亡。这种病有时用抗生素治疗烧蚀这是一种微创治疗,可以在不切除肝脏肿瘤的情况下摧毁它们。两种治疗肝癌的消融术包括:

  • 射频消融术(RF),使用针状探头提供高频电流加热并杀死肿瘤内的癌细胞
  • 微波消融(MW),它使用针状探头发送电磁波来破坏肿瘤内的癌细胞

许多医疗专业人员所面临的共同挑战是管理这种消融处理的挑战是,他们无法获得关于这些程序的有效性的实时反馈。为了解决这一问题,即梅德尔科的一支研究人员团队,RF和MW消融技术的领先开发人员,使用模拟来设计具有增强的可预测性和有效性的新消融探针。在他们的工作中,团队使用COMSOL MultiphySics和附加RF模块来优化探头的发射和接收属性。

4.老视

随着年龄的增长,我们的眼睛越来越难聚焦在特写物体上。这种情况称为老花眼它会影响到世界上大多数65岁的人。老花眼的主要原因是晶状体形状的改变,晶状体是眼睛内部的一种微小结构。在我们年轻的时候,这种镜片很薄很有弹性,但随着时间的推移,它会逐渐变厚,变得不那么有弹性。未矫正时,老花眼是最常见的视觉障碍原因

这种情况可以通过使用眼镜、隐形眼镜或简单的放大镜来缓解。一种更密集的治疗形式是屈光手术。然而,所有这些选择都有其自身的缺点和局限性。

人眼的光机模型。
人眼模型用于帮助学习老花眼。

为了推进老花眼的研究和治疗老花眼的根本原因,瑞士医疗设备公司Kejako的研究人员创建了一个人眼的3D机械模型。使用COMSOL Multiphysics,该团队能够对人眼的机械和光学元件进行建模。他们模型的最终设计精确地模拟了老花眼的自然发展过程。

5. Linac-Mr

加拿大杂交研究所的一支研究人员设计了一种创新的设备,可以在人体内进行图像和治疗癌细胞。称为LINAC-MR的装置将线性粒子加速器(LINAC)和磁共振图像(MRI)一起带入一个系统。它设计用于靶向和治疗任何肿瘤,移动或不移动,并避免损害围绕肿瘤部位的健康组织。

为了优化这种混合装置的设计,研究人员需要分析阻止直线加速器磁共振最佳运行的物理现象。为此,研究人员转向了多物理模拟…

Linac-MR配置。
直线加速器磁流变系统的配置。

团队最早进行的模拟之一是确定钢屏蔽板的最佳尺寸。该板将用于直线加速器MR,以保护直线加速器免受MRI磁场的影响。利用COMSOL Multiphysics,他们设计了一个半径为30厘米、厚度为6厘米的优化屏蔽层——是原始设计的三分之一。

此外,研究人员还想设计一种能产生10兆电子伏(MeV)电子束的Linac-MR。这将使该系统能够治疗多种癌症类型。最初,他们估计直线加速器需要一个70厘米的波导才能产生10兆电子伏。通过模拟,他们了解到30厘米的波导就足够了。通过缩短波导的长度,研究人员可以建造一个更小的房间来放置Linac-MR,从而节省了他们在这个过程中的时间和金钱。

6.血液学分析

最重要的是,实验室测试(如血液学分析)设计具有绝对精度,因为这些测试影响到今天的医学决策的70%。

HORIBA Medical是一家医疗诊断设备的全球供应商,血液学和临床化学设备的设计都考虑到以下标准:

  • 速度
  • 精度
  • 尺寸
  • 易用性

模拟允许堀场医疗满足这些设计要求。

显示ABX Pentra®系列分析仪中孔径-电极系统工作原理的图表。
ABXPENTRA®系列分析仪中的孔电极系统的图示。

例如,通过模拟,HORIBA Medical能够增强Pentra®系列的微孔电极系统,这是他们最先进的血液分析仪之一。使用COMSOL Multiphysics,他们分析了该系统中发生的各种复杂的物理过程,包括流体速度、孔径压降、热传导和电场。

“由于这是一个非常小的系统,很难进行任何实验测量。模拟让我们能够改进仅靠物理原型无法实现的流程。”

–Damien Isèbe,HORIBA Medical的科学计算工程师。

7.细胞分拣机

技术合作组织(TTP plc)的研究人员设计了一种微流控细胞分选装置,可用于帮助治疗癌症和其他多种疾病。他们的设备,涡流驱动细胞分拣机(VACS),包括一个输入通道,设计用于将生物细胞分拣成两个输出通道:

  • 浪费细胞
  • 感兴趣的细胞

与传统电池分选机相比,VACS速度更快,更便携(尺寸为1毫米× 0.25毫米),更易于使用,而且一次性使用。此外,与传统的电池分类器不同,VACS使用热蒸汽泡脉冲技术来正常工作。

显示旋涡驱动细胞分选机组成部分的图表。
涡旋致动的细胞分选机的组件。

根据TTP团队的说法,在VACS的整个设计过程中都需要多物理模拟。例如,他们使用流体动力学模型,模拟和分析了设备的热蒸汽气泡技术的效果。通过这样做,该团队能够快速构建VACS的工作原型,VACS是世界上最小的电池分选机之一。模拟也有助于验证他们的设计。

8.药物洗脱支架

冠状动脉狭窄发生在心脏的动脉被斑块阻塞时。处理这种情况的患者可能会出现呼吸急促、胸痛、头晕等症状。

为了治疗这种情况,医疗专业人员有时会使用一个小的金属支架来保持堵塞的动脉畅通。然而,组织可以在支架上生长,在这个过程中使动脉重新狭窄。一种防止过度组织生长的方法是使用药物洗脱支架,这种支架被药物包裹,旨在减少动脉中的细胞增殖。为了更好地了解这些支架是如何工作的,波士顿科学公司(一家医疗设备的创新开发公司)的一组工程师使用了多物理模拟。

图示说明支架在被斑块阻塞的血管中是如何工作的。
图示:被斑块阻塞的血管(左上),在被斑块阻塞的血管中插入和扩张的支架(右上),以及在血管中工作的支架(下)。

在他们的工作中,波士顿科学团队建模并调查了药物洗脱支架涂层的释放曲线。(释放曲线是药用涂层溶解到血管组织中的速率。)这项研究援助该团队设计了一种具有可控释放型材的药物洗脱支架,可控制于患者自己的需求。

COMSOL新闻特别版生物医学

阅读更多关于此处描述的8个示例以及我们特别版的其他4个示例COMSOL新闻对生物医学行业来说。

ABX Pentra和Pentra是HORIBA ABX SAS的注册商标。


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