多物理场仿真提升

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1、创新医疗技术心室辅助装置是有史以来最复杂的体内植入器械之一。LVAD除了为人多物理场仿真提升体全身的血液循环提供动力、维持生命外，还必须与人体内的生物环境相兼植入式医疗设备的容。圣犹达医疗公司旗下的Thoratec公司，经过多年临床试验，终于在2010年性能和安全性为LVAD产品开辟出了广阔的市场。»设计强大、高效、血液相容的血泵美国圣犹达医疗用品公司（St.JudeMedical）致力于开发心室设计LVAD时必须考虑到诸多因辅助装置来改善心力衰竭患者的生活。数值仿真的应用贯穿了素：装置必须足够小才能与心脏连接，整个设计流程，涵盖了从热效

2、应、流体动力学到能量传输的方并需要使用相容性材料和合理的几何方面面。结构才能将其植入人体内而不引起排异反应。另外，设计者还必须考虑流体动力学、供电和热管理等问题。在每个作者SARAHFIELDS环节的研发中，研发人员都必须清楚地了解多个相互作用的物理效应，因此，多物理场仿真在整个设计过程起到了至关重要的作用。在开始实验研究之前，圣犹达医疗公司的高级研发工程师FreddyHansen会利用专业知识对LVAD这种复杂的植入式医疗装置的特性进行物理和数学的建模。Hansen从2011年起就开始使用COMSOLMultiphysics®软件，到

3、目前为止已创建了超过230个模型，成功攻克了多项与人工泵装置独特物理现象相关的设计难题。“不论是验证概念模型，还是处理图1.LVAD泵的作用是帮助富氧血液在全身循环。图像由圣犹达医疗公司提供。具有详细CAD几何结构和多物理场耦合的复杂仿真，COMSOLMultiphysics研发用于辅助或完全代替心脏功于帮助心力衰竭患者改善生活质量，树的使用贯穿于我每天的研究中。对于一能的装置无疑是一项非常复杂的任务。立健康的心态。些复杂的模型，有时需要好几个月才能从给装置供电到确保装置对人体正常心力衰竭这种疾病通常始于心脏左从模型中获取全部需要的信息。

4、”的机能没有干扰，设计中的各个环节侧，由于左心室负责将富氧血液泵入全每一代LVAD产品进入市场前都经都充满了巨大的挑战。圣犹达医疗公司身，而右心室仅将血液泵入肺部，因此前过了改进优化，以增强产品的安全性，的研究人员使用多物理场仿真来设计者的输送距离远大于后者，负担也更重。提高患者的生活质量。圣犹达医疗公司左心室辅助装置（leftventricularassist通常来说，LVAD（见图1）能为左心室功的研发重点是提升装置的生物相容性、device,简称LVAD），坚持不懈地致力能不全的患者提供机械循环的支持。血液相容性以及免疫相容性，确保

5、装置2016年9月COMSOLMULTIPHYSICS7创新医疗技术a.c.b.图2.LVAD的外部设备。图片由圣犹达医疗公司提供。图注：LeftVentricularAssistDevice-左心室辅助装置；Battery-图3.（a）三维CFD（计算流体动力学）仿真，描绘了泵体内的流体速度。（b）磁悬浮转电池；PercutaneousCable-经皮导子，用来取代球轴承及其他组件，因为这些几何结构可能会促进凝血。图中显示了转子磁场线；Controller-控制器；LVADcontrol-的大小和方向，以及定子磁场的大小。（c）LVAD

6、离心泵示意图。图注：OutflowCannula-LVAD控制；Patientuserinterface-患者用流出套管；InflowCannula-流入套管；Impeller-叶轮户界面；Emergencybackupbattery-紧急备用电源置面临的一个挑战是防止在泵的内部或有助于消除血液的栓塞和凝结。不会引起不良的免疫反应或干扰其他人周围空间发生血液凝结。为应对这一挑另一项重大突破是开发出了能够产战，工程师们开发出了磁悬浮转子，用生脉冲式流动而非连续流动的泵系统，体系统。来取代容易引起凝血的球轴承和其他组因为脉冲式流动方式更接近人

7、体心脏的几何结构和尺寸对装置的整体功件。Hansen利用软件中的“旋转机械”真实工作状态。此外，脉冲式流动还有能有着重要的影响。植入LVAD时，外建模技术对磁悬浮转子和湍流流动进行助于洗涤血液，防止血液凝结，并能为科医生首先将LVAD的一端连接到左心了模拟。全身的血管产生积极的生理效应。室，然后将另一端连接到升主动脉（见图2）。装置的体积越小，操作就越简泵转子中的永磁体由定子中的线»全植入型LVAD实现无线充电单，也就越不容易干扰相邻的器官或组圈驱动，这些线圈的转动会在转子内目前的LVAD需要通过生物相容性织。借助仿真，研发人员可以在完成

8、物产生扭矩，并对转子轴的位置产生主材料制成的电线，将电能从体外控制器理样机之前，评估不同的尺寸或几何结动控制。转子的垂直位置或悬浮状态中的外部电池传输到泵。但如果可以去构对LVAD设计的影响。