多物理场仿真助力全球战疫工作

2020年 8月 13日

无创呼吸机(Noninvasive ventilation,NIV)是一种医疗救助装置,它通过持续气道正压通气技术(Continuous positive airway pressure,CPAP)为呼吸困难的患者提供空气。意大利的一家研究型公司 Polibrixia 使用多物理场仿真为使用CPAP-NIV 的患者设计并优化了一款与之适配的口鼻面罩,为全球战斗 COVID-19 疫情工作提供了更多的辅助呼吸装置。

NIV 通气面罩:全球性的设计挑战

受呼吸道疾病 COVID-19 感染的患者中,约有 5% 需要进入重症监护病房住院和呼吸机辅助治疗。但是,在 COVID-19 迅速传播的地区,医院的机械式(有创)呼吸机救助能力和经验常常有限。此外,机械通气可能会造成不良影响和长期的副作用,因此,使用无创式替代疗法可以减轻患者的痛苦。

由 Polibrixia 用COMSOL Multiphysics 建模的无创呼吸机面罩。
在 COMSOL Multiphysics® 中模拟的无创呼吸机面罩。图片由 Polibrixia 提供。

NIV 通气面罩为 COVID-19 患者提供了一种非侵入式监测和通气的形式,从而减少了其对机械式呼吸器(有创呼吸器)的需求。为了有效地设计非侵入式通气面罩,以在严格的时间限制内和最大程度地提高患者体验之间获得平衡,COMSOL 的认证客户 —— 意大利 Polibrixia 公司的 Davide Fausti,Maurizio Mor 和 Massimo Antonini 使用 COMSOL Multiphysics® 软件的结构和流体流动功能对产品进行了设计与优化。

NIV 通气面罩的结构分析

Polibrixia 公司设计的通气面罩主体由聚碳酸酯材料 Makrolon® 2658 制成。材料的技术规格表仅包含与屈服点有关的数据,但不包含屈服点至断裂点后的拉伸数据。

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

模拟结果显示了通气面罩主体和聚碳酸酯材料的应力-应变曲线。
通气面罩主体(左)和聚碳酸酯材料(右)的应力应变分析仿真结果。图片由 Polibrixia 提供。

气流的 CFD 和物质输运分析

通气面罩的主要用途之一是增加肺和动脉中氧气的分压。由气瓶输送的每升氧气都会与周围的空气混合,最终使面罩中的氧气浓度增加 3%-4%。

该团队使用 COMSOL Multiphysics 中的 CFD 建模方法来了解不同比例下氧气-空气混合物的流动情况,模拟不同的气流情况,并查看面罩附近气体流速范围。

模拟结果显示用于 COVID-19 治疗的 NIV 面罩中的药物剂量水平。
模拟使用通气面值接受药物治疗的病人。
使用 COMSOL 模拟的通过通气面罩的药物溶解。

通气面罩中药物剂量水平的 CFD 仿真结果。图片由 Polibrixia 提供。

NIV 通气面罩还可用于控制治疗 COVID-19 患者的药物剂量。通过对输运现象进行建模,研究小组可以得到口罩面部组件中药物扩散的客观(一般性)规律,评估无创呼吸机系统中的药物剂量,并分析空气流出时的药物流速。

设计生命救助装置

应对全球 COVID-19 危机需要先进的医疗救助装置,但频繁制造这些救生装置的物理样机是不可行的,尤其是在时间和资源有限的情况下。多物理场仿真可以模拟 NIV 面罩系统中涉及的所有物理场,从而帮助 Polibrixia 等公司将生命救助装置更早地推向市场,并降低开发成本。

Makrolon 是拜耳股份公司的注册商标。


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