主题演讲视频:仿真助力心脏泵设计改进

Thomas Forrister 2018年 12月 5日

心力衰竭是一个全球性的健康问题,影响着数百万人,使他们无法正常生活。但是,如果有一种装置可以让患者的心脏保持跳动,甚至提高他们的生活质量,将会怎样呢?来自雅培公司的 Freddy Hansen 在 2018 年波士顿 COMSOL 用户年会上发表主题演讲时,讨论了这样一种心脏泵。如果您没听过他的演讲,可以观看录像并阅读下面的总结。

Freddy Hansen 讨论如何改进供心力衰竭患者使用的心脏泵的设计

 

设计更好的左心室辅助装置

“有史以来植入人体的最复杂的机器”——Freddy Hansen 这样描述 HeartMate 3™ 左心室辅助装置(LVAD),这是一种由雅培公司开发的心脏泵,配备有一个磁悬浮转子,适用于心力衰竭患者。在雅培公司,Hansen 的团队致力于改进 LVAD 设计,以弥补心脏左侧肌肉衰弱,从而避免血液在心脏淤积,血液淤积可能是致命的。其他电子植入物(如起搏器)只使用数微瓦的功率,但 LVAD 必须泵送整个血流,因此需要大量功率,约为 10 瓦左右。设计这些装置还面临着其他挑战,比如,其体积必须足够小才能植入患者胸腔,另外还要具有生物相容性和血液相容性。为了解决这些问题,Hansen 和他的团队成员使用了仿真技术。

使用 COMSOL Multiphysics® 优化 LVAD 系统

Hansen 说他使用 COMSOL Multiphysics® 软件来模拟 LVAD 系统设计的所有组件,包括装有磁悬浮轴承(使转子悬浮在装置内部)的电动机、传感器和其他电子设备,如电动机控制。由于该系统的每个部分都是维持生命的,雅培的工程技术人员需要确保每个组件都按照设计运行。HeartMate 3™ LVAD 是该系统唯一位于人体内的部分,该装置的电源来自电池,并通过穿透患者皮肤的电缆传输。控制器是一个患者接口设备,其中设有按钮,可帮助监测 LVAD 的性能(还包含应急电池)。
A photograph of Freddy Hansen from Abbott Laboratories at the COMSOL Conference 2018 Boston.
来自视频:LVAD 系统。LVAD 被植入胸腔,而系统的其他组件则位于体外。

Hansen 举了几个例子,说明了他和他的团队成员如何使用各种建模技术来精确分析 LVAD 系统设计的所有组件和多物理场相互作用。例如,在设计 HeartMate 3™ LVAD 时,他们创建了一个电动机模型,该模型的旋转部分包含磁场,磁芯周围的多个线圈使转子悬浮和旋转。下面我们再看一些模型示例。

模拟控制器和植入物的传热

Hansen 在研究 LVAD 设计时,提出了一个重要的问题:靠近控制器的皮肤温度是多少?正如他所指出的,确定 控制器装置接触皮肤时的温度,非常重要,原因在于,即使在温度过高的情况下患者也不能直接取下装置——因为患者靠它来维持生命!为了找到答案,雅培公司的研究人员设计了一个生物传热模型,控制器的一侧是皮肤、脂肪、肌肉和内脏层,另一侧是服装层,从而模拟热效应。该模型考虑长距离的血流冷却,并且采用自定义的传热系数来模拟服装层表面的对流换热。

第二个热模型示例模拟这样一个问题:靠近植入物的组织有多热?为了回答这个问题,研究团队成员通过逆向工程分析了已发表的数据,这是一项评估活体组织导热性能的实验。接下来,他们模拟将 LVAD 放入水浴中,并将结果与基准测试进行比较(您可以观看视频,了解更多关于 Hansen 如何追踪电池和其他热元件温度的细节)。

模拟无线能量传输

雅培团队还研究了用无线能量传输代替电缆传输的方法——Hansen 称之为业界的“圣杯”。如果能实现这种替代方案,无线能量传输将降低插入部位的感染风险。改进后的装置不仅可以挽救患者的生命,植入这种装置的患者还可以洗澡和游泳,从而大大提高生活质量。为了探索这种可能性,该团队开发了一个包含三维磁场和零维电路的模型来评估效率及损耗。在这种情况下,提高电路性能非常重要,这是因为电路和磁线圈具有很强的相互作用。
A photograph of Freddy Hansen presenting on using simulation to design improved heart pumps.
来自视频:无线能量传输模型设计。

通过仿真评估血细胞的流动

Hansen 继续他的主题演讲,讨论 CFD 建模如何帮助团队追踪流经装置的血流路径。通过 LVAD 的流场就其交互性和周期性而言被视为一个真正的多物理场问题。在研究血细胞浓度时,需要考虑剪切应力,这是因为血细胞远离较高的剪切应力位置。这种运动影响血液的粘度,从而影响流场,进而影响剪切应力。

研究人员在对 LVAD 设计进行流量定性评估时,要确保没有血液从转子流回入口,否则会导致效率降低并增加血液损害的风险。Hansen 还谈到使用粒子追踪来计算“灌注”,即血细胞在心脏泵中停留的时间。他们发现,可以根据逃逸时间对粒子进行分类,并通过仿真计算高级血液破坏。

Hansen 总结道,他和雅培团队在这项设计中使用了 300 多个模型以及数十种产品和原型。他们可以通过仿真来创建优化的 LVAD 系统,并开发出适合实际应用的 HeartMate 3™ LVAD。

到目前为止,HeartMate LVAD 已累计挽救超过 35,000 名心力衰竭患者的生命,有些患者可以继续参加马拉松,以及许多其他运动和活动。但这些系统真正令人印象深刻的是什么呢?那就是它们使患者的心脏持续跳动,让患者健康地活着。

想要了解更多关于雅培心脏泵仿真和 LVAD 系统设计的信息吗?请观看本篇博客文章顶部的视频。

HeartMate 3 是雅培公司集团的商标。


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