Блог

Прочностной, тепловой и CFD-расчет медицинских устройств

Вопросы здравоохранения актуальны для любого человека. Эта отрасль в большей степени, чем другие, касается каждого из нас. Медицинская продукция так или иначе связана с жизнью людей – улучшает ее качество или помогает поддерживать жизненно важные функции организма.

Для повышения рентабельности инвестиций в здравоохранении необходимо научиться управлять рисками и контролировать затраты на разработку медицинских изделий. В основном, компании заботят правовые риски в связи с отказом того или иного изделия, а также расходы на одобрение изделий в Управлении по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) и проведение повторных клинических исследований, достоверно отражающих вариабельность у разных пациентов. В своем стремлении к развитию компании выявляют новые патологические и хронические заболевания у пожилых людей и разрабатывают новые изделия и препараты для их лечения. Они также занимаются заменой имплантированных устройств и оказанием помощи пожилым пациентам в условиях постоянного дефицита медицинского персонала. Это нужно для того, чтобы такие пациенты могли сами себя обслуживать с минимальной посторонней помощью.

Вместе с тем возникает серьезная необходимость сокращения расходов. Уменьшение издержек на этапе проектирования позволяет снизить стоимость материалов и оптимизировать производство без ущерба для качества изделий. Следующим этапом является контроль процесса выздоровления пациента, направленный на сокращение продолжительности его пребывания в стационаре и минимизацию расходов на уход. Отмечается быстрорастущий спрос на медицинские устройства, предназначенные для таких целей.

Компьютерное моделирование в медицине

Для решения задач разработки медицинских устройств и здравоохранения в целом используется компьютерное моделирование. Оно позволяет создать виртуальную лабораторию тела человека, представляющую собой «цифровой двойник» реальной лаборатории. Эта виртуальная лаборатория позволяет тестировать модели новых медицинских устройств уже на начальном этапе проектирования, а оценка функциональных возможностей и затрат способствует притоку инвестиций в разработку.Более того, создание и развитие виртуальной лаборатории и проведение испытаний in silico дает возможность осуществлять валидацию опытных образцов и получать информацию, которую можно использовать наравне с клиническими данными. Предоставление результатов моделирования также допустимо при подаче заявки в FDA или регуляторы Совета Европы на одобрение медицинского изделия.

Компьютерное моделирование с помощью виртуальной лаборатории тела человека дает разработчикам медицинских устройств простор для творчества без оглядки на высокую стоимость испытаний и тем самым обеспечивает уверенное конкурентное преимущество на рынке. В процессе испытания необходимо оперативно получать информацию о характере взаимодействия устройства с телом человека. Для этого данные пациента вносятся в компьютерную модель. Это происходит следующим образом:

  • Данные пациента накапливаются в процессе его повседневной деятельности.
  • Уникальная информация о пациенте вносится в модель тела человека для изучения ее взаимодействия с устройством.
  • Это позволяет разработчикам учитывать вариабельность у большого числа пациентов.

Инженерные расчеты медицинских устройств

Прочностной расчет с использованием данных пациента позволяет определить поведение медицинского устройства в реальных физических условиях. Все знают, что электронное устройство можно легко выронить или случайно задеть обо что-то. Чаще всего повреждения оказываются незначительными – об этом позаботился инженер-проектировщик, который выполнил прочностной расчет, обеспечивающий надежность конструкции устройства.

drop test

Моделирование дроп-теста устройства

Моделирование динамики ходьбы, езды и других переходных состояний дает более полное представление о работе устройства. Проблема прочности приобретает еще большую актуальность для пациентов с ограниченной подвижностью. Если устройство экстренной связи выйдет из строя в результате падения, то врач или медсестра не смогут вовремя оказать помощь пациенту. Значит, компоненты устройства должны обладать противоударными свойствами.

Немаловажными являются такие свойства устройства, как герметичность при использовании в воде и достаточный уровень усталостной прочности при тепловых нагрузках.

Комфортность ношения – еще один существенный критерий при разработке нательных беспроводных устройств. Расчет теплового потока обеспечит правильное охлаждение компонентов, а учет свойств пота позволит защитить устройство от прилипания и тем самым сделает его использование комфортным для пациента.

Первостепенную значение имеют медицинские устройства с функцией жизнеобеспечения. Введение коронарных медицинских устройств с помощью катетера позволяет спасать людей без операции на открытом сердце. Целесообразно моделировать как сами устройства, например аортальные стенты и искусственные клапаны сердца, так и их взаимодействие с сердечной мышечной тканью и тканями сосудистой стенки. Для хирургов огромную роль играет моделирование хирургических процедур. 

TurbulentDissipation

CFD-расчет течения крови через искусственный клапан

Методы вычислительной гидродинамики также применяются в медицинской диагностике – для определения необходимости артериального стентирования путем расчета давления в месте предполагаемой закупорки артерии. С помощью компьютерной модели, созданной на основе данных визуализации медицинских изображений, можно с точностью определить падение артериального давления в месте закупорки без введения в артерию датчика давления. А контроль оседания препарата в легких при помощи CFD-модели позволяет усовершенствовать конструкцию ингалятора. Таким образом, сложная система движения различных жидкостей в организме человека требует использования для их расчета самых надежных CFD-инструментов.

Итак, мы рассмотрели примеры решения отдельных физических задач при проектировании различных медицинских устройств и процедур. Однако, концепция «цифрового двойника» предусматривает системный и мультидисциплинарный подход к моделированию, например, при создании модели искусственного сердца с помощью программных средств ANSYS. Мультидисциплинарное моделирование позволяет рассчитать насосные характеристики этого жизненно важного устройства с учетом сил электромагнитного взаимодействия, потока жидкости и механической деформации. Решение каждой физической задачи по отдельности не дало бы комплексного понимания работы устройства в реальных условиях.

Связанные новости
19 апреля 2022 года состоялось заседание секции №6 «Прочность и надежность строительных конструкций зданий и сооружений» Экспертного совета по аттестации программ для ЭВМ при Научно-техническом центре по ядерной и радиационной безопасности (ФБУ «НТЦ ЯРБ») Ростехнадзора.
АО «ЦИФРА» приняла участие в треке «Математическое моделирование» в рамках образовательного форума "Phygital universe", который проходил в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого. 27 апреля руководитель инженерной группы АО «ЦИФРА» Юрий Лавров, а также инженеры Рубцов Иван и Васильева Дарья выступили в Высшей школе теоретической механики с презентацией проектов из инженерной практики. 29 апреля Юрий и Дарья оценивали навыки математического моделирования и инженерного мышления участников форума при решении практического кейса от АО «ЦИФРА». По результатам защиты кейсов выбрано 5 победителей, которые получат дополнительные 10 баллов при поступлении в магистратуру в СПбПУ.
Связанные публикации в блоге
Бронеодеждой или БО согласно ГОСТ 34286-2017 называют средства индивидуальной броневой защиты, выполненные в виде пальто, накидок, плащей, костюмов, курток, брюк, комбинезонов, жилетов и т.п., предназначенные для периодического ношения с целью защиты туловища и (или) конечностей человека (за исключением стоп ног и кистей рук) от воздействия холодного оружия и огнестрельного стрелкового оружия, а также поражения осколками (далее - средства поражения). БО применяется тогда, когда может потребоваться защита жизни и здоровья человека. Она классифицируется и для нее проводятся испытания согласно назначенным классам.
Основной эксплуатационной характеристикой судна, определяющей возможности работы судна в ледовых условиях, является его ледовый класс. В прошлом каждое классификационное общество имело свою уникальную систему классификации судов ледового плавания, и, как следствие – свои нормативные требования к таким судам, однако в начале 2000-х годов Международной ассоциацией классификационных обществ (МАКО) была проведена работа по унификации этих требований, результатом которой стало введение двух систем классификации судов ледового плавания: системы балтийских ледовых классов (для плавания в Балтийском море и схожих по ледовым условиям морях) и системы полярных классов (для плавания в полярных водах), при этом требования каждого классификационного общества-члена МАКО остались в силе. Со вступлением в силу в 2017 году Международного кодекса для судов, эксплуатирующихся в полярных водах (Полярного кодекса) особенно актуальным стал вопрос присвоения судну полярного класса. Несмотря на то, что МАКО была определена приблизительная эквивалентность ледовых классов различных систем классификации (см. рис. 1), на практике для получения полярного класса необходимо подтверждение соответствия судна требованиям IACS UR I – requirements concerning Polar Class. Эти требования разделяются на корпус и механические установки. Рассмотрим пример выполнения анализа соответствия механических установок судна полярному классу.
Связанные вебинары
В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.