从机械心脏泵植入物到疫苗存储装置到血液学分析仪，生物医学应用通常是多物理学。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个现实世界中的示例，说明了生物医学行业的工程师和研究人员如何使用ComsolMultiphysics®软件来推动其创新，挽救生命的设计。
1.左心室辅助设备
心力衰竭或充血心脏衰竭，仅在美国就影响了600万以上的成年人。当心脏在整个身体中没有足够的血液和氧气时，就会发生这种常见疾病。帮助减轻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“移植桥”，因为它们通常用于治疗正在等待心脏移植的患者。但是，对于由于潜在的医疗状况而无法接受心脏移植的患者，它们也可以用作长期治疗选择。
正如预期的那样，LVAD在设计上通常很复杂。他们需要：
- 强大的功能足以正常运行（〜10瓦范围）
- 足够小以适合患者的胸部
- 由与人体兼容的材料制成
为了设计具有所有这些品质的LVAD，雅培实验室的研究人员使用了模拟。例如，他们使用Comsol多物理学来帮助设计LVAD的离心泵。为了防止泵内和周围的血液凝结（设计LVAD时的常见挑战），研究人员选择在LVAD的设计中掺入磁性悬浮的转子。使用该软件，研究人员能够对LVAD中的转子和湍流进行建模和分析。
磁悬浮的转子（左上）的模拟，泵室中流体流的CFD模拟（左下）以及LVAD的离心泵的示意图（右）。
此外，研究人员对LVAD的控制器进行了机械影响分析，以研究其弹性。控制器有助于电源，控制和监视LVAD的性能。
“我每天都使用Comsol多物理学，从概念验证模型到具有详细的CAD几何形状和耦合物理的相当复杂的模拟。我使用一些复杂的模型工作了几个月，然后才从中获取所有想要的信息。”
- 雅培实验室的高级研发工程师弗雷迪·汉森（Freddy Hansen）
2.疫苗存储
根据疾病预防与控制中心（CDC），疫苗存储在减轻常见可预防疾病和疾病的传播方面起着重要作用。不幸的是，由于严格的温度要求，许多疫苗会破坏并浪费。
作为全球良好计划的一部分，知识投资公司（IV）的创新者设计了一种被动疫苗存储设备（PVSD），以安全地将疫苗运送到世界各地。在使用时，它旨在将疫苗保持在0°C和10°C的温度之间，并用一批冰保持疫苗。它的外壳提供了多层绝缘材料，由反射铝的薄层组成，低导电空间和非导电真空空间组成。PVSD不需要外部电源才能运行。
对Comsol多物理学中PVSD的热模拟。
在其设计阶段，研究人员测试了与撒哈拉以南非洲相似的环境室中几个PVSD原型的性能。为了优化其PVSD系统的设计，在构建原型之前，该团队使用了COMSOL多物理学及其各种附加模块，包括传热模块和分子流量模块。
使用实验和模拟，该团队能够设计出易于转运的PVSD，可使疫苗保持冷的整个月，从而使疫苗安全运输到世界各地 - 即使在有限或没有的地方也可以电。
3.消融技术
在2020年，肝癌是全球与癌症相关死亡的第三大原因，占损失80万以上的死亡。这种疾病有时会接受消融，一种微创治疗，可以破坏肝肿瘤而无需去除肝脏肿瘤。治疗肝癌的两种消融类型包括：
- 射频消融（RF），它使用针状探针传递高频电流，以加热和杀死肿瘤内的癌细胞
- 微波消融（MW），它使用针状探针发送电磁波来破坏肿瘤内的癌细胞
许多接受这种消融治疗的医疗专业人员面临的普遍挑战是，他们无法获得有关这些程序有效性的实时反馈。为了解决这一问题，RF和MW消融技术的领先开发人员Medtronic的一组研究人员使用仿真设计了具有增强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多物理和附加RF模块来优化探针的发射和接收属性。
4.长老会
随着年龄的增长，我们的眼睛专注于特写对象变得越来越困难。这种情况，称为长老会，影响到世界上大多数人65岁。长老会的主要原因是结晶镜的形状变化，这是眼睛内部的微小结构。在我们的年轻人中，这个镜头薄而灵活，但是随着时间的流逝，它逐渐变得更厚，柔韧性。当未纠正时，长老会是视觉障碍最常见的原因。
可以通过使用眼镜，隐形眼镜或简单的放大镜来缓解这种情况。一种更密集的治疗形式是屈光手术。但是，所有这些选项都有自己的缺点和限制。
人眼模型用于研究长老会。
为了推进长老会的研究并治疗长老会的根本原因，位于瑞士的医疗器械公司Kejako的研究人员创建了人眼的3D机械模型。使用Comsol多物理学，该团队能够对人眼的机械和光学元素进行建模。他们的模型的最终设计准确地模拟了长老会的自然发展。
5. Linac-Mr
加拿大Cross Cancer Institute的一组研究人员设计了一种创新的装置，可以在人体内部进行成像和治疗癌细胞。该设备被称为LINAC-MR，将线性粒子加速器（Linac）和磁共振图像（MRI）汇总到一个系统中。它旨在靶向和治疗任何肿瘤，移动或不动，并避免损坏周围肿瘤部位的健康组织。
为了优化该混合设备的设计，研究人员需要分析可以防止Linac MR最佳性能的物理现象。为此，研究人员转向多物理模拟…
LINAC-MR系统的配置。
团队执行的最早模拟之一是确定钢屏蔽板的最佳尺寸。该板将在Linac MR中使用，以保护Linac免受MRI的磁场。他们使用comsol多物理学设计了一个优化的屏蔽层，半径为30厘米，厚度为6厘米，三分之一是其原始设计的大小。
此外，研究人员希望设计一种生成10毫高的电子杆（MEV）电子束的LINAC-MR。这将使系统能够治疗多种癌症类型。最初，他们估计LINAC将需要70厘米的波导才能生成10 MeV。使用模拟，他们了解到30厘米的波导足够了。通过减少波导的长度，研究人员可以建造一个较小的房间来容纳Linac MR，从而节省了他们的时间和金钱。
6.血液学分析
至关重要的是，实验室测试（例如血液学分析）具有绝对准确性，因为这些测试影响了当今医疗决策的70％。
在Horiba Medical，全球医疗诊断设备供应商，血液学和临床化学设备的设计中，考虑到以下标准：
- 速度
- 准确性
- 尺寸
- 便于使用
仿真使Horiba Medical可以满足这些设计要求。
ABXPentra®系列分析仪中的光圈 - 电极系统的例证。
例如，使用模拟，Horiba Medical能够增强Pentra®系列中的微孔 - 电极系统，这是他们最先进的血液学分析仪之一。他们使用comsol多物理学分析了该系统内发生的各种复杂的物理过程，包括流体速度，通过孔径，热传递和电场的压力下降。
“由于这是一个很小的系统，因此很难在实验上进行任何测量。模拟使我们能够改善仅与物理原型无法访问的过程。”
- DamienIsèbe，Horiba Medical的科学计算工程师。
7.细胞分辨率
技术合作伙伴关系（TTP PLC）的研究人员设计了一种微流体细胞分选装置，可用于治疗癌症和其他各种疾病。它们的设备，涡流式的细胞分系程序（VACS），包括一个输入通道，旨在将生物细胞分为两个输出通道：
- 废物细胞
- 感兴趣的细胞
与传统的细胞分类器相比，VACS更快，更便携（尺寸为1毫米x 0.25毫米），易于使用和一次性。同样，与传统的细胞分选项不同，VACS使用热蒸气气泡脉冲技术正常运行。
涡流式细胞分类器的成分。
根据TTP团队的说法，在VACS的整个设计中都需要多物理模拟。例如，使用流体动力学模型，他们模拟和分析了设备的热蒸气气泡技术的效果。通过这样做，该团队能够迅速建立一个工作原型的VACS，这是世界上最小的细胞分类器之一。仿真还有助于验证其设计。
8.毒品洗脱支架
当心脏中的动脉被牙菌斑堆积阻塞时，就会发生冠状动脉狭窄。处理这种疾病的患者可能会经历呼吸急促，胸痛，头晕等。
为了治疗这种疾病，医疗专业人员有时会使用小型金属支架来保持开放的动脉开放。但是，组织可以在支架上生长，在此过程中重骨动脉。有助于防止这种过多的组织生长的一种方法是使用涂有药物的支架，这些支架涂有医学，旨在减少动脉中的细胞增殖。为了更好地了解这些支架的工作原理，是医疗设备的创新开发人员波士顿科学的一组工程师，使用了多物理模拟。
被斑块阻塞的血管的说明（左上），支架插入和膨胀在被斑块阻塞的血管中（右上），以及在血管中工作的支架（底部）。
波士顿科学团队在他们的工作中进行了建模和调查，并调查了洗脱Stent涂层的发布概况。（释放曲线是药用涂层溶解在血管组织中的速率。）这项研究帮助团队设计了具有可控释放配置文件的药物洗脱支架，该释放曲线可根据患者自身的需求进行定制。
comsol新闻特别版生物医学
阅读有关此处描述的8个示例的更多信息，以及我们特别版的其他4个示例comsol新闻用于生物医学行业。
ABX Pentra和Pentra是Horiba ABX SAS的注册商标。
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