آموزش کامسول مدل سازی CFD یک پمپ خون گریز از مرکز
معیار FDA: مدل سازی CFD یک پمپ خون گریز از مرکز
مدل‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) ابزاری مؤثر برای مدل‌سازی جریان سیال در کاربردها و دستگاه‌های قلبی عروقی است. این به طور گسترده برای شبیه سازی همودینامیک در دستگاه های پزشکی در تماس با خون استفاده شده است. استفاده از مدل‌سازی CFD برای آزمایش مجازی به جای روش‌های آزمایش فیزیکی به توسعه‌دهندگان دستگاه اجازه می‌دهد تا چرخه توسعه را تسریع کنند، هزینه‌ها را کاهش دهند و ایمنی و اثربخشی دستگاه را تایید کنند بدون اینکه بیماران را در معرض نمونه‌های اولیه دستگاه پزشکی اثبات‌نشده قرار دهند.
به دلیل این مزایا، سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) به طور معمول به صنعت توصیه می‌کند که از مدل‌سازی و شبیه‌سازی برای پیش‌بینی نتایج بالینی، اطلاع‌رسانی به طرح‌های کارآزمایی بالینی و حمایت از شواهد اثربخشی استفاده کند (مرجع 1). در تلاش برای بهبود و استاندارد کردن استفاده از مدل‌سازی CFD برای ارسال‌های نظارتی دستگاه‌های قلبی عروقی، FDA دو مدل معیار از جریان مایع در یک نازل و یک پمپ خون گریز از مرکز توسعه داد. برای اعتبارسنجی مدل‌های CFD، آزمایش‌های آزمایشگاهی در آزمایشگاه‌های متعدد برای به دست آوردن سرعت‌ها، فشارها و داده‌های همولیز تجربی انجام شد. مدل‌سازی CFD معیار نازل قبلاً توسط Veryst Engineering، یک شرکت مشاوره گواهی COMSOL انجام شده بود.
مدل ما هندسه پمپ را از وب سایت موسسه ملی سرطان به دست آوردیم و آن را برای مدل سازی CFD در نرم افزار COMSOL® طبق مشخصات ارائه شده توسط FDA آماده کردیم. ما از ماژول CFD و ماژول میکسر در نرم افزار COMSOL® برای اجرای یک مطالعه روتور منجمد استفاده کردیم، که نیاز به تقسیم دامنه سیال به یک زیر دامنه ثابت و یک زیر دامنه چرخان داشت. پاکسازی و اصلاح هندسه حداقل نگه داشته شد.
یک مایع نیوتنی برای توصیف خون طبق دستورالعمل FDA استفاده شد. مدل آشفتگی k-epsilon برای به دست آوردن یک محلول جریان سیال اولیه خوب برای مدل انتقال تنش برشی (SST) استفاده شد، که متعاقباً برای به دست آوردن راه‌حل‌های جریان با وفاداری بالاتر مورد استفاده قرار گرفت. نرخ جریان 2.5-7 لیتر در دقیقه با سرعت پمپ 3500 دور در دقیقه شبیه سازی شد.
یک مطالعه روتور منجمد برای محاسبه راه حل حالت پایدار (شبه) استفاده شد.
آموزش comsol اعتبار سنجی
FDA مطالعه پمپ خون گریز از مرکز خود را در سال 2017 منتشر کرد و نتایج حاصل از مطالعات محاسباتی و همچنین داده‌های آزمایش‌های آزمایشگاهی خود را گزارش کرد (مرجع 2). ما داده های تجربی را از نمودارهای موجود در نشریه استخراج کردیم و آن را با نتایج مدل CFD خود مقایسه کردیم تا نتایج CFD را تأیید کنیم.
هد فشار در سراسر پمپ با سرعت پمپ 3500 دور در دقیقه برای چندین نرخ جریان محاسبه شد. نتایج محاسبه شده به خوبی با معیارهای فیزیکی مطابقت دارد، همانطور که در نمودار زیر مشاهده می کنید.
تأیید و اعتبارسنجی (V&V) مدل سازی CFD یک پمپ خون گریز از مرکز
پذیرش مدل‌سازی و شبیه‌سازی در ارزیابی تجهیزات پزشکی نیازمند تأیید، اعتبارسنجی و کمی‌سازی عدم قطعیت (VVUQ) کافی است. استاندارد ASME V&V 40 (مرجع 3) در سال 2018 منتشر شد و چارچوبی برای ارزیابی اعتبار مدل های محاسباتی دستگاه های پزشکی با در نظر گرفتن عوامل خطر دستگاه ها ارائه می دهد. مفهوم کلیدی برای ارزیابی ریسک مدل، زمینه استفاده (COU) است. در چارچوب توصیه شده توسط V&V 40، “ریسک مدل ترکیبی از تاثیر مدل محاسباتی نسبت به سایر شواهد کمک کننده برای تصمیم گیری، و پیامد برای بیمار یا کاربران نهایی در صورت نادرست بودن تصمیم است.” به عبارت دیگر، اعتبار باید متناسب با درجه ای باشد که مدل محاسباتی به عنوان مدرک بر آن تکیه می کند. برای دستگاه کمکی بطن چپ (LVAD) مانند پمپ خون.
فایل مدل به عنوان نمایشی از چگونگی انجام پس پردازش توسط COMSOL Multiphysics عمل می کند. کاربران می توانند پروب ها و اپراتورهای جفت غیر محلی (به عنوان مثال، میانگین، ادغام سطح، و غیره) را برای محاسبه مقادیر مشتق شده از نتایج CFD محاسبه شده تنظیم کنند. همچنین استخراج زیر مجموعه های داده از مجموعه داده های CFD با انواع مختلف عملیات برش بسیار راحت است.
در نهایت، خطوط درون یابی اندازه سرعت سه بعدی را برای صفحه عبور پره بالایی در شرایط پمپ 6 لیتر در دقیقه و 3500 دور در دقیقه رسم کردیم.
میتوانید برای آموزش کامسول اقدام کنید.
نتیجه گیری
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می تواند به طور موثر برای توصیف جریان سیال در دستگاه های پزشکی استفاده شود. در این پست وبلاگ، ما یک راه حل CFD برای مدل بنچمارک پمپ خون FDA با استفاده از ماژول CFD و ماژول میکسر ارائه کردیم. این دو ماژول یک راه حل موثر CFD برای جریان سیال در ماشین های دوار ارائه می دهند که در پمپ های خون گریز از مرکز رایج است. نتایج با مطالعات گزارش شده FDA، هم تجربی و هم محاسباتی مطابقت دارد.
