利用多物理仿真优化NIV掩模设计

2020年8月13日,

无创通气面罩通过持续正压通气(continuous positive airway pressure, CPAP)为呼吸窘迫患者提供空气。意大利的一家研究公司Polibrixia开始设计和优化一种用于CPAP和niv通气患者的口鼻口罩,使用多物理模拟。他们的目标?为全球抗击新冠肺炎疫情提供更多呼吸设备。

新NIV面具:全球挑战赛中的设计挑战

受COVID-19呼吸道疾病影响的患者中,约有5%需要重症监护室住院和呼吸辅助。然而,在一些地区的医院经历了激增COVID-19传播经常达到能力和经验有限获得机械呼吸器。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疗法可以为患者省去今后的麻烦。

Polibrixia在COMSOL Multiphysics中建模的无创通气面罩。
在COMSOL Multiphysics®中的NIV掩码模拟。图片由Polibrixia。

NIV口罩为COVID-19患者提供了一种无创监测和通气,减少了对呼吸机等机械呼吸器的需求。意大利Polibrixia的Davide Fausti、Maurizio Mor和Massimo Antonini在平衡严格的时间限制的同时,有效地设计NIV口罩,使患者的表现达到最大化COMSOL认证咨询师使用了COMSOL Multiphysics®软件的结构和流体流动能力。

NIV面罩的结构分析

Polibrixia公司的NIV口罩主体由聚碳酸酯材料Makrolon®2658制成。材料的技术规格表只包括与屈服点有关的数据,但不包括从屈服点到断裂点的拉伸。

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

仿真结果显示了面罩本体与聚碳酸酯材料的应力-应变曲线。
NIV面罩本体(左)和聚碳酸酯材料(右)的应力-应变分析。礼貌Polibrixia图像。

气流通过通气罩的CFD和输运分析

NIV口罩的主要用途之一是增加肺部和动脉中的氧分压。每升氧气从系统的气缸中释放出来与周围的空气混合,并向面罩的氧气中添加3-4%的分馏浓度。

该团队使用CFD建模来了解不同百分比的氧气-空气混合物的流动,模拟不同的气流情况,并查看面罩附近气流的速度范围。

模拟结果显示用于COVID-19治疗的NIV口罩中的药物剂量水平。
戴着NIV口罩接受药物治疗的病人模型。
通过COMSOL Multiphysics模拟的NIV口罩的药物剂量。

NIV口罩内药物剂量水平的CFD模拟结果。礼貌Polibrixia图像。

新冠肺炎口罩装置也用于为治疗COVID-19患者分配药物剂量。通过对传输现象建模,该团队可以找到面罩面部成分的客观规律扩散,评估NIV系统中的药物剂量,并分析药物从空气流出的流速。

设计一种救生装置

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,特别是在时间和资源有限的时期。多物理模拟可以用来模拟NIV口罩系统中涉及的所有物理现象,帮助Polibrixia等公司尽早将拯救生命的设备推向市场,并降低开发成本。

Makrolon是拜耳Aktiengesellschaft公司的注册商标。


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
2021年3月15日

嗨Chi胡恩,

谢谢你的评论。目前还没有这个模型,因为它来自客户研究。

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。

Brianne克里斯托弗
2021年3月15日

你好默罕默德,

谢谢你的评论。目前还没有这个模型,因为它来自客户研究。

最好的
Brianne

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