多物理場仿真助力抗擊全球疫情

2020年 8月 13日

無創呼吸機(Noninvasive ventilation,NIV)是一種醫療救助裝置,它通過持續氣道正壓通氣技術(Continuous positive airway pressure,CPAP)為呼吸困難的患者提供空氣。意大利的一家研究型公司 Polibrixia 使用多物理場仿真為使用CPAP-NIV 的患者設計并優化了一款與之適配的口鼻面罩,為全球戰斗 COVID-19 疫情工作提供了更多的輔助呼吸裝置。

NIV 通氣面罩:全球性的設計挑戰

受呼吸道疾病 COVID-19 感染的患者中,約有 5% 需要進入重癥監護病房住院和呼吸機輔助治療。但是,在 COVID-19 迅速傳播的地區,醫院的機械式(有創)呼吸機救助能力和經驗常常有限。此外,機械通氣可能會造成不良影響和長期的副作用,因此,使用無創式替代療法可以減輕患者的痛苦。

由 Polibrixia 用COMSOL Multiphysics 建模的無創呼吸機面罩。
在 COMSOL Multiphysics? 中模擬的無創呼吸機面罩。圖片由 Polibrixia 提供。

NIV 通氣面罩為 COVID-19 患者提供了一種非侵入式監測和通氣的形式,從而減少了其對機械式呼吸器(有創呼吸器)的需求。為了有效地設計非侵入式通氣面罩,以在嚴格的時間限制內和最大程度地提高患者體驗之間獲得平衡,COMSOL 的認證客戶 —— 意大利 Polibrixia 公司的 Davide Fausti,Maurizio Mor 和 Massimo Antonini 使用 COMSOL Multiphysics? 軟件的結構和流體流動功能對產品進行了設計與優化。

NIV 通氣面罩的結構分析

Polibrixia 公司設計的通氣面罩主體由聚碳酸酯材料 Makrolon? 2658 制成。材料的技術規格表僅包含與屈服點有關的數據,但不包含屈服點至斷裂點后的拉伸數據。

研究人員需要了解材料的組成。為了確定強度和耐久性,他們在 COMSOL Multiphysics 中進行了應力-應變分析。

模擬結果顯示了通氣面罩主體和聚碳酸酯材料的應力-應變曲線。
通氣面罩主體(左)和聚碳酸酯材料(右)的應力應變分析仿真結果。圖片由 Polibrixia 提供。

氣流的 CFD 和物質輸運分析

通氣面罩的主要用途之一是增加肺和動脈中氧氣的分壓。由氣瓶輸送的每升氧氣都會與周圍的空氣混合,最終使面罩中的氧氣濃度增加 3%-4%。

該團隊使用 COMSOL Multiphysics 中的 CFD 建模方法來了解不同比例下氧氣-空氣混合物的流動情況,模擬不同的氣流情況,并查看面罩附近氣體流速范圍。

模擬結果顯示用于 COVID-19 治療的 NIV 面罩中的藥物劑量水平。
模擬使用通氣面值接受藥物治療的病人。
使用 COMSOL 模擬的通過通氣面罩的藥物溶解。

通氣面罩中藥物劑量水平的 CFD 仿真結果。圖片由 Polibrixia 提供。

NIV 通氣面罩還可用于控制治療 COVID-19 患者的藥物劑量。通過對輸運現象進行建模,研究小組可以得到口罩面部組件中藥物擴散的客觀(一般性)規律,評估無創呼吸機系統中的藥物劑量,并分析空氣流出時的藥物流速。

設計生命救助裝置

應對全球 COVID-19 危機需要先進的醫療救助裝置,但頻繁制造這些救生裝置的物理樣機是不可行的,尤其是在時間和資源有限的情況下。多物理場仿真可以模擬 NIV 面罩系統中涉及的所有物理場,從而幫助 Polibrixia 等公司將生命救助裝置更早地推向市場,并降低開發成本。

Makrolon 是拜耳股份公司的注冊商標。


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