使用多物理模拟优化NIV面膜设计

无创通气（NIV）掩盖通过连续的正气道压力（CPAP）为呼吸窘迫的患者提供空气。意大利的一家研究公司Polibrixia着手使用多物理学模拟设计和优化针对CPAP和NIV通风患者的Oronasal面膜。他们的目标？在与Covid-19的全球斗争中提供更多的呼吸设备。

NIV面具：全球挑战期间的设计挑战

大约5％的受呼吸道疾病患者Covid-19需要在重症监护病房和通风援助中同时住院。但是，在发生激增的地区的医院COVID-19的传播通常达到能力并经验有限的机械呼吸器。此外，呼吸机会引起不良和长期副作用，因此一种无创的替代方法可能会让患者在路上麻烦。

在ComsolMultiphysics®中对NIV面膜的模拟。图像提供圆柱体。

NIV面膜为Covid-19患者提供了一种非侵入性监测和通风，从而减少了对呼吸机等机械呼吸器的需求。有效地设计NIV面具以提高患者的表现，同时平衡严格的时间限制，Davide Fausti，Maurizio Mor和Massimo Antonini来自意大利Polibrixia的Massimo Antonini，Comsol认证顾问使用ComsolMultiphysics®软件的结构和流体流量功能。

NIV面罩的结构分析

Polibrixia的NIV面膜的主体由一种聚碳酸酯材料Makrolon®2658组成。该材料的技术规范表仅包括与收益点有关的数据，但不包括在收益率到断裂点后的扩展。

研究人员需要了解材料的构成。到确定强度和耐用性，他们在COMSOL多物理学中进行了应力 - 应变分析。

NIV面膜体（左）和聚碳酸酯材料（右）的应力应变分析。图像由polibrixia提供。

CFD和通过NIV面罩对气流进行运输分析

NIV面罩的主要用途之一是增加肺和动脉中氧的二压。从系统的气缸中输送的每升氧气与环境空气混合在一起，并在面罩的氧气中增加了分数浓度的3-4％。

该团队使用CFD建模以各个百分之一以了解氧气混合物的流动，并模拟不同的气流情况，并看到掩模附近的气流速度范围。

NIV面膜中药物剂量水平的CFD仿真结果。图像由polibrixia提供。

NIV面膜设置还用于分配用于治疗Covid-19患者的药物剂量。通过对传输现象进行建模，团队可以在面膜的面部成分中找到客观的常规扩散，评估NIV系统中的药物剂量，并分析来自空气流出的药物流速。

设计挽救生命的设备

响应全球Covid-19危机需要采取高级工具，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时期。多物理模拟可用于模拟NIV面膜系统中涉及的所有物理学，帮助Polibrixia等公司将挽救生命的设备提前推向市场，并降低开发成本。

Makrolon是Bayer Aktiengesellschaft Corporation的注册商标。