基于多物理模拟的NIV掩模优化设计

2020年8月13日,

无创通气(non - invasive ventilation, NIV)口罩通过持续气道正压通气(continuous positive airway pressure, CPAP)为呼吸窘迫患者提供空气。意大利研究公司Polibrixia开始使用多物理模拟设计和优化用于CPAP和niv通气患者的口鼻口罩。他们的目标?为全球抗击COVID-19提供更多呼吸设备。

新NIV面具:全球挑战中的设计挑战

约5%受COVID-19呼吸系统疾病影响的患者需要在重症监护室住院和呼吸机协助。然而,在经历了激增的地区的医院COVID-19传播往往达到容量和经验有限的机械呼吸器。此外,呼吸机可引起不良和长期的副作用因此,一种非侵入性的替代方案可以为病人省去今后的麻烦。

一种基于COMSOL Multiphysics模型的无创通气面罩。
在COMSOL Multiphysics®中对NIV掩膜的仿真。图片由Polibrixia。

新冠肺炎口罩为COVID-19患者提供了一种无创监测和通气方式,减少了对呼吸机等机械呼吸器的需求。为了有效地设计NIV口罩,最大化患者的表现,同时平衡严格的时间限制,来自意大利Polibrixia的Davide Fausti, Maurizio Mor和Massimo Antonini, aCOMSOL认证咨询师,使用了COMSOL Multiphysics®软件的结构和流体流动能力。

NIV掩模结构分析

Polibrixia的NIV口罩主体由聚碳酸酯材料Makrolon®2658组成。该材料的技术规格单只包括与屈服点有关的数据,但不包括从屈服到断裂点的拉伸数据。

研究人员需要了解材料的组成。来确定强度和耐久性,他们在COMSOL Multiphysics上进行了应力应变分析。

模拟结果显示了NIV掩模体与聚碳酸酯材料的应力-应变曲线。
左图为NIV面罩体,右图为聚碳酸酯材料的应力应变分析。礼貌Polibrixia图像。

气流通过NIV面罩的CFD及输运分析

NIV面罩的主要用途之一是增加肺部和动脉中的氧分压。从系统钢瓶中输送的每升氧气与周围的空气混合,使面罩氧气的浓度增加3-4%。

该团队使用CFD建模来了解不同比例的氧气-空气混合物的流动情况,模拟不同的气流情况,并看到面罩附近气流的速度范围。

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)治疗口罩的药物剂量模拟结果。
戴着NIV口罩的患者接受药物治疗的模型。
通过COMSOL Multiphysics模拟的NIV面罩给药。

CFD模拟结果为NIV口罩的药物剂量水平。礼貌Polibrixia图像。

新冠肺炎口罩还用于分配治疗COVID-19患者的药物剂量。通过模拟传输现象,该团队可以发现客观规则的扩散在面具的面部成分,评价药物在NIV系统中的剂量,并分析药物从空气流出的流速。

设计救生设备

应对全球COVID-19危机需要先进的工具,但为此类项目创建原型是不可行的——尤其是在时间和资源有限的情况下。多物理模拟可以用来模拟NIV面罩系统中涉及的所有物理,帮助Polibrixia等公司更早地将救生设备推向市场,并降低开发成本。

Makrolon是拜耳Aktiengesellschaft Corporation的注册商标。


评论(4)

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气胡恩公园
气胡恩公园
2020年8月17日

亲爱的克里斯托弗,谢谢你提供的信息。COMSOL中有人脸模型或身体模型吗?

Brianne克里斯托弗
Brianne克里斯托弗
2021年3月15日

嗨Chi胡恩,

谢谢你的评论。这个模型目前还没有,因为它是来自客户研究。

最好的
Brianne

默罕默德SULEMAN
默罕默德SULEMAN
2020年8月17日

很好,但是相应的数学模型,初始条件和边界条件在哪里呢?

Brianne克里斯托弗
Brianne克里斯托弗
2021年3月15日

你好默罕默德,

谢谢你的评论。这个模型目前还没有,因为它是来自客户研究。

最好的
Brianne

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