无创通气（Noninvasive ventilation，NIV）面罩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 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器辅助治疗。但是，在 COVID-19 迅速传播的地区，医院的机械式(有创)呼吸器救助能力和经验常通常很有限。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。
在 COMSOL Multiphysics® 中模拟的无创通气面罩。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。
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。
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，评估无创呼通气系统中的药物剂量，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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