分析用于测量血流量的电磁流量计

Brianne Costa 2017年 11月 24日

电磁流量计可用于无创测量血液流量。然而在使用过程中,血管位置会因为患者的动作而改变,这就影响了流量计的灵敏度。为此,ABB 集团研究中心(ABB Corporate Research)的研究人员借助多物理场仿真对患者移动时血管的位移对电磁流量计性能的影响进行了研究。

一种测量血流量的简单方法

电磁流量计是一种基于电动势(electromotive force,简称 EMF)对导电流体进行测量的仪器,医务人员借助这种仪器能够以无痛无创的方式测量患者的血流量。在流量计中,外部线圈产生磁场,非接触式电极可以测量感应电动势。如果患者在测量过程中做出任何动作,哪怕只是呼吸,血管也可能会移动,这严重影响了流量计的灵敏度。所以该现象是心脏医学和胸腔医学的重点分析对象。

 分析用于测量血流量的电磁流量计
电磁流量计的主要部件为线圈和电极,可无创测量患者血管中的血液流量。

ABB 集团研究中心印度办公室的研究人员构建了此过程的多物理场模型,并在模型中引入了流-固耦合(FSI)和电磁场的影响。他们的目标是通过对比血管位置变化和静止时的流量计性能,准确了解血管移动对流量计灵敏度的影响。

在 COMSOL Multiphysics® 中模拟电磁流量计

研究团队将血管模拟为管道,不过应用了合适的生物材料属性。他们通过 COMSOL Multiphysics® 软件的内置物理场接口耦合多个物理效应。层流 接口用于模拟血管中的血流。为了计算线圈产生的磁场以及血流和磁场产生的感应电动势,他们选择了电磁场 接口。

Magnetic flow meter schematic 分析用于测量血流量的电磁流量计
电磁流量计模型的示意图。图像由 S. Dasgupta、 K. Ravikumar、P. Nenninger 和 F. Gotthardt 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 班加罗尔站发表的论文

研究人员还使用了 COMSOL Multiphysics 的附加产品——“结构力学模块”来模拟患者在移动时的血管位移。他们将这项分析与“CFD 模块”相互耦合来分析流-固耦合,其中涉及了血管位移对血流量和流体压力对血管的影响。

此模型的作用是分析血管移动时和处于原位时,电磁流量计的灵敏度。

仿真结果对比

研究人员分析了两种情况,即血管处于原位或者朝上方线圈移动 5 cm,然后对比了二者的结果。仿真结果显示了管道(血管)横截面上的速度和磁通密度的云图。其他结果显示了流场和磁场接口耦合计算得到的感应电动势和管直径内的电势分布。

pipe model four views 分析用于测量血流量的电磁流量计
管道横截面(左上)和长度方向(左下)的感应电势,以及管道横截面的速度(右上)和磁通密度(右下)。图像由 S. Dasgupta 等人提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 班加罗尔站发表的论文。

绘图表明,相对于不发生位移的血管,流量计对于发生位移的血管更加敏感。但两种情况的速度曲线又完全相同,所以研究团队做出判断:灵敏度提高并非由速度造成的,而是发生位移的血管移动到了更强的磁场区,越靠近线圈,血管内的磁通密度就越大。

针对流量计的下一步研究

ABB 的研究人员根据仿真结果推断出,血管移位是医用电磁流量计的一个潜在问题。他们推论,要解决问题,应该在测量过程中限制患者的身体动作,或者生成与呼吸同步的磁场来抵消灵敏度变化。

事实证明,这些仿真结果在医学领域十分有用,下一步的研究应该考虑更多现实的情况,比如血液脉动流以及血管特性和身体位置的变化。

对于研究团队而言,这项研究证实了 COMSOL Multiphysics 可用于分析流体流动、结构力学和电磁场等多种不同现象在复杂应用中的相互作用关系。

拓展阅读

查看发表于 COMSOL 用户年会 2016 班加罗尔站的完整论文(荣获最佳论文奖!):“Measurement of Blood Flowrate in Large Blood Vessels Using Magnetic Flowmeter


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