منوی دسته بندی

هیچ محصولی در سبد خرید نیست.

هشت کاربرد کامسول در صنعت پزشکی

تصویری از یک دستگاه شبیه‌سازی شده با کامسول برای کمک به ناشنوایان

کاربردهای زیست پزشکی اغلب ماهیتی چند فیزیکی دارند، از ایمپلنت های مکانیکی پمپ قلب گرفته تا دستگاه های ذخیره سازی واکسن و آنالیزورهای خون شناسی.  بنابراین ، شبیه سازی چند فیزیکی می تواند به ایجاد تغییرات اساسی در نحوه طراحی و تحلیل دستگاه ها و فرآیندهای زیست پزشکی کمک کند. در اینجا ، ما 8 نمونه از کاربرد کامسول (COMSOL) در صنعت پزشکی (bioengineering) را بررسی می‌کنیم. در حقیقت چگونگی استفاده مهندسان و محققان در صنعت پزشکی از نرم افزار COMSOL Multiphysics برای پیشبرد طرح‌های ابتکاری و نجات‌دهنده زندگی را به اشتراک می‌گذاریم.

در ادامه بررسی کاربرد نرم‌افزار کامسول در صنعت پزشکی و مقاله نحوه مدلسازی بافت‌های زیستی این‌بار به بررسی نحوه شبیه‌سازی تجهیزات مهم در صنعت پزشکی با نرم‌افزار کامسول می‌پردازیم.

1. دستگاه های کمکی بطن چپ (Left Ventricular Assist Devices)

اولین کاربرد  کامسول (COMSOL) در صنعت پزشکی (bioengineering) نارسایی قلبی (HF) یا نارسایی احتقانی قلب (CHF) است که فقط در ایالات متحده بیش از 6 میلیون بزرگسال را تحت تأثیر قرار می دهد. این بیماری شایع زمانی اتفاق می افتد که قلب نمیتواند خون و اکسیژن کافی به بدن پمپاژ کند.  یکی از راه های کمک به کاهش نارسایی قلبی استفاده از دستگاه کمکی بطن چپ (LVAD) است ، یک پمپ مکانیکی که هنگام کاشته شدن در قفسه سینه ، از گردش خون پشتیبانی می کند.

 LVAD ها اغلب به عنوان “پلی برای پیوند” شناخته می شوند ، زیرا به طور معمول برای معالجه بیمارانی که منتظر پیوند قلب هستند استفاده می شوند.  با این حال ، آنها همچنین می توانند به عنوان یک گزینه درمانی طولانی مدت برای بیمارانی که به دلیل شرایط زمینه ای پزشکی قادر به پیوند قلب نیستند ، استفاده شوند.

طراحی LVAD ها

همانطور که انتظار می رفت ، طراحی LVAD اغلب پیچیده است. آنها باید شرایط زیر را دارا باشند:

  • به اندازه کافی قدرتمند برای عملکرد مناسب (محدوده ~ 10 وات)
  • به اندازه کافی کوچک که درون قفسه سینه بیمار قرار گیرند
  • ساخته شده از مواد سازگار با بدن انسان

برای طراحی یک LVAD که همه این خصوصیات را داشته باشد ، محققان آزمایشگاه های Abbott  از شبیه سازی استفاده کردند. به عنوان مثال ، آنها برای کمک به طراحی پمپ گریز از مرکز LVAD ازنرم افزار COMSOL Multiphysics استفاده کردند.  برای جلوگیری از لخته شدن خون در پمپ و اطراف آن (یک چالش معمول در هنگام طراحی LVAD ) ، محققان تصمیم گرفتند که یک روتور مغناطیسی شناور را در طراحی LVAD قرار دهند. محققان با استفاده از این نرم افزار توانستند روتور و جریان آشفته را در LVAD  مدلسازی و تجزیه و تحلیل کنند.

یکی از کاربردهای کامسول در صنعت پزشکی

یک شبیه سازی از روتور مغناطیسی شناور (بالا سمت چپ) ، یک شبیه سازی CFD از جریان سیال در محفظه پمپ (پایین سمت چپ) ، و یک تصویر از پمپ گریز از مرکز LVAD(راست).

یکی از کاربردهای کامسول در صنعت پزشکی

تجهیزات خارجی LVAD

عکس از آزمایشگاه Abbott

علاوه بر این ، محققان تجزیه و تحلیل تأثیر مکانیکی کنترل کننده LVAD را برای بررسی حالت ارتجاعی آن انجام دادند.  کنترل کننده به قدرت ، کنترل و نظارت بر عملکرد LVAD کمک می کند.

“من از COMSOL Multiphysics هر روز استفاده میکنم ، از مدل های اثبات شده تا شبیه سازی کاملاً پیشرفته شامل هندسه های دقیق CAD و فیزیک های کوپل شده.  من ماه ها با برخی از مدل های پیچیده کار میکنم قبل از اینکه تمام اطلاعاتی را که می خواهم از آنها بگیرم”

  • فردی هانسن (Freddy Hansen)، مهندس ارشد تحقیق و توسعه در آزمایشگاه های Abbott

2. ذخیره سازی واکسن (Vaccine Storage)

دومین کاربرد  کامسول (COMSOL) در صنعت پزشکی (bioengineering) که مورد بررسی قرار می‌دهیم استفاده از آن در بحث پیشگیری از بیماری‌های واگیردار است. طبق بررسی مراکز کنترل و پیشگیری از بیماری ها (CDC) ، ذخیره واکسن نقش اصلی را در کاهش شیوع بیماری های قابل پیشگیری متداول دارد.  متأسفانه بسیاری از واکسن ها به دلیل دشواری در درجه حرارت مورد نیاز، خراب شده و از بین می روند.

به عنوان بخشی از برنامه Global Good ، مبتکران در Intellectual Ventures (IV) یک دستگاه ذخیره سازی واکسن منفعل (PVSD) را برای انتقال ایمن واکسن به هر قسمت از جهان طراحی کردند.  هنگامی که استفاده می شود ، برای نگهداری واکسن ها بین دمای 0 تا 10 درجه سانتی گراد با یک دسته یخ طراحی شده است.  محفظه آن عایق چندلایه ای را تشکیل می دهد که از لایه های نازک آلومینیوم بازتابنده ، یک فضای رسانایی کم و یک فضای خلا غیر رسانا تشکیل شده است. PVSD برای عملکرد به برق خارجی نیاز ندارد.

یکی از کاربردهای نرم افزار کامسول در ذخیره سازی واکسن است که این روزها با شیوع بیماری کرونا بسیار می‌تواند کمک کننده باشد.

شبیه سازی حرارتی PVSD در نرم افزار چند فیزیکی  COMSOL

در مرحله طراحی آن ، محققان عملکرد چندین نمونه اولیه PVSD را در یک محفظه محیطی با دمای مشابه با نمونه های موجود در جنوب صحرای آفریقا آزمایش کردند.  برای بهینه سازی طراحی سیستم PVSD ، قبل از ساخت نمونه های اولیه ، این تیم از COMSOL Multiphysics و انواع مختلف ماژول های آن از جمله ماژول انتقال حرارت و ماژول جریان مولکولی استفاده کردند.

با استفاده از آزمایش و شبیه سازی ، تیم قادر به ساخت یک PVSD با حمل و نقل آسان بود که تا یک ماه واکسن ها را سرد نگه می دارد و امکان انتقال ایمن واکسن ها به تمام مناطق جهان – حتی در مکان های محدود یا بدون برق- را فراهم می سازد.

3. فناوری فرسایش (Ablation Technology)

در سومین کاربرد کامسول در صنعت پزشکی (bioengineering) به روش‌های درمان سرطان پرداخت می‌شود. در سال 2020 ، سرطان کبد سومین علت شایع مرگ و میر ناشی از سرطان در سراسر جهان بود که بیش از 800000 نفر جان خود را از دست داند.  این بیماری گاهی اوقات با فرسایش درمان می شود، یک درمان کم تهاجمی که می تواند تومورهای کبد را بدون حذف آن ها از بین ببرد. دو نوع فرسایش برای درمان سرطان کبد عبارتند از:

  • فرسایش فرکانس رادیویی (RF) ، که با استفاده از یک پروب سوزن مانند، جریان با فرکانس بالا را برای گرم کردن و از بین بردن سلول های سرطانی درون تومور انتقال می دهد.
  • فرسایش مایکروویو (MW) ، که با استفاده از یک پروب سوزن مانند، امواج الکترومغناطیسی را برای از بین بردن سلول های سرطانی درون تومور ارسال می کند.

چالش مشترک بسیاری از متخصصان پزشکی که چنین روشهای درمانی را انجام می دهند این است که آنها به بازخورد واقعی در مورد اثربخشی این روشها دسترسی ندارند. برای رفع این نگرانی ، تیمی از محققان در Medtronic -توسعه دهنده برجسته هر دو فن آوری های فرسایش RF و MW – از شبیه سازی برای طراحی پروب های جدید فرسایش با قابلیت پیش بینی و اثربخشی بیشتر استفاده کردند. تیم در کار خود از COMSOL Multiphysics و ماژول RF برای بهینه‌سازی خصوصیات انتشار و دریافت پروب‌ها استفاده کردند.

4. پیرچشمی (Presbyopia)

در چهارمین کاربرد کامسول در صنعت پزشکی (bioengineering) به نارسایی‌های چشم پرداخته می‌شود. با افزایش سن، تمرکز روی اشیا از نزدیک برای چشم ما دشوارتر می‌شود. این بیماری که تحت عنوان پیرچشمی شناخته می شود، بیشتر افراد جهان را در سن 65 سالگی تحت تأثیر قرار می‌دهد. علت اصلی پیرچشمی تغییر شکل لنز کریستالی، یک ساختار کوچک در داخل چشم است. در جوانی ما، این لنز نازک و انعطاف پذیر است، اما با گذشت زمان به تدریج ضخیم و کم انعطاف پذیر می‌شود. در صورت عدم اصلاح، پیرچشمی شایعترین علت اختلال بینایی است.

با استفاده از عینک ، لنزهای تماسی یا یک ذره بین ساده می توان این وضعیت را کاهش داد.  نوع شدیدتر درمان جراحی انکساری است.  با این حال ، همه این گزینه ها با اشکالات و محدودیت های خاص خود همراه هستند.

یکی از کاربردهای نرم‌افزار کامسول در صنعت پزشکی

مدلی از چشم انسان برای کمک به مطالعه پیرچشمی

محققان Kejako ، یک شرکت تجهیزات پزشکی مستقر در سوئیس ، برای پیشبرد مطالعه پیرچشمی و درمان علل پیرچشمی ، یک مدل مکانیکی سه بعدی از چشم انسان ساختند. با استفاده از COMSOL Multiphysics ، تیم توانست هر دو عناصر مکانیکی و نوری چشم انسان را مدل سازی کند.  طرح نهایی مدل آنها پیشرفت طبیعی پیرچشمی را دقیقاً شبیه سازی می کند.

5. Linac-MR

در بررسی پنجمین کاربرد  کامسول (COMSOL) در صنعت پزشکی (bioengineering)، تیمی از محققان موسسه Cross Cancer در کانادا دستگاه ابتکاری را طراحی کردند که می تواند سلولهای سرطانی موجود در بدن انسان را تصویربرداری و درمان کند.  این دستگاه با نام Linac-MR شناخته می شود که شتاب دهنده ذرات خطی (Linac) و تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) را در یک سیستم جمع می کند.  این دستگاه برای هدف قرار دادن و درمان هر توموری، در حال حرکت یا عدم حرکت ، و جلوگیری از آسیب رساندن به بافت سالم اطراف تومور طراحی شده است.

برای بهینه سازی طراحی این دستگاه ترکیبی ، محققان نیاز به تجزیه و تحلیل پدیده های فیزیکی داشتند که می تواند از عملکرد مطلوب Linac-MR جلوگیری کند.  برای انجام این کار ، محققان به شبیه سازی چند فیزیکی روی آوردند .

یکی از کاربردهای کامسول در صنعت پزشکی

شماتیک سیستم Linac-MR

یکی از اولین شبیه سازی هایی که تیم انجام داد ، تعیین اندازه بهینه یک صفحه محافظ فولادی بود.  این صفحه در Linac-MR  برای محافظت از Linac در مقابل میدان های مغناطیسی MRI استفاده می شود.  آنها با استفاده از COMSOL Multiphysics ، یک صفحه بهینه شده با شعاع 30 سانتی متر و ضخامت 6 سانتی متر – یک سوم اندازه طرح اصلی آن- طراحی کردند.

علاوه بر این ، محققان می خواستند یک Linac-MR طراحی کنند که یک پرتو الکترون 10 مگا الکترون ولت (MeV)  تولید کند.  این سیستم را قادر می سازد تا انواع مختلف سرطان را درمان کند.  در ابتدا ، آنها تخمین زدند که Linac برای تولید 10 MeV به یک سیستم موجبر 70 سانتی متری نیاز دارد.  با استفاده از شبیه سازی ، آنها یاد گرفتند که یک موجبر 30 سانتی متری کافی است.  با کاهش طول موجبر ، محققان می توانند اتاق کوچکتری را برای قرار دادن Linac-MR بسازند و با این کار در وقت و هزینه صرفه جویی کنند.

6. آنالیز خون شناسی (Hematology Analysis)

طراحی با دقت بالا در تجهیزات مربوط به تست‌های آزمایشگاهی، همانند آنالیز خون، از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا این آزمایشات تا 70 درصد تصمیمات پزشکی امروزه را تحت تأثیر قرار می دهند. در HORIBA Medical ، یک تامین کننده جهانی تجهیزات تشخیصی پزشکی، تجهیزات خون و شیمی بالینی با در نظر گرفتن معیارهای زیر طراحی می‌شوند:

  • سرعت
  • دقت
  • اندازه
  • راحتی در استفاده

شبیه سازی به HORIBA Medical اجازه می دهد تا این الزامات طراحی را برآورده کند.

یکی از کاربردهای کامسول در صنعت پزشکی

تصویری از سیستم دیافراگم-الکترود در آنالیز کننده های سری ABX Pentra.

به عنوان مثال، با استفاده از شبیه سازی، شرکت HORIBA Medical قادر بود سیستم میکرو دیافراگم-الکترود را، که در سری Pentra مورد استفاده قرار می‌گیرد و یکی از پیشرفته ترین آنالیزورهای خون شناسی است، ارتقا دهد. آنها با استفاده از COMSOL Multiphysics ، انواع مختلفی از فرآیندهای فیزیکی پیچیده را که در این سیستم رخ می دهد، تجزیه و تحلیل کردند. از جمله سرعت مایع، افت فشار از طریق دیافراگم، انتقال حرارت و میدان های الکتریکی.

“از آنجایی که این یک سیستم بسیار کوچک است، انجام هر نوع اندازه گیری آزمایشگاهی بسیار دشوار است. شبیه سازی به ما امکان می‌دهد فرآیندهایی را که فقط با نمونه‌های اولیه فیزیکی غیرقابل دسترسی هستند، بهبود بخشیم. “

دیمین ایزبه ، مهندس محاسبات علمی در HORIBA MedicalHORIBA Medical

7. جداساز سلولی (Cell Sorter)

محققان The Technology Partnership (TTP plc) یک دستگاه جداساز (سورتر) سلول های میکروسیال را طراحی کردند که می تواند برای کمک به درمان سرطان و انواع بیماری های دیگر مورد استفاده قرار گیرد.  دستگاه آنها ، جداساز سلولی فعال شده توسط گرداب (VACS) ، شامل یک کانال ورودی است و برای مرتب سازی سلولهای بیولوژیکی به دو کانال خروجی طراحی شده است:  

  • سلولهای زائد
  • سلولهای مورد علاقه

در مقایسه با جداسازهای سلولی سنتی ، VACS  سریعتر، قابل حمل تر (اندازه آن 1 میلی متر در 0.25 میلی متر است) ، استفاده از آن راحت تر و یکبار مصرف است. همچنین ، برخلاف جداسازهای سلولی سنتی ، VACS  از فناوری پالس حباب بخار حرارتی برای عملکرد صحیح استفاده می کند.

یکی از کاربدهای کامسول در صنعت پزشکی

اجزاء جداسازنده سلولی فعال شده توسط گرداب

طبق گفته تیم TTP ، در طول طراحی VACS به شبیه سازی چند فیزیکی نیاز بود.  به عنوان مثال ، آنها با استفاده از یک مدل دینامیک سیال ، اثر فن آوری حباب بخار حرارتی دستگاه را شبیه سازی و تجزیه و تحلیل کردند. با انجام این کار ، تیم توانست به سرعت نمونه اولیه VACS ، یکی از کوچکترین جداسازهای سلولی در جهان را بسازد.  شبیه سازی همچنین به اعتبار طراحی آنها کمک کرد.

8. استنت های آزاد کننده دارو (Drug-Eluting Stents)

در هشتمین کاربرد نرم‌افزار کامسول (COMSOL) در صنعت پزشکی (bioengineering) به یک روش درمانی برای تنگی عروق کرونر پرداخته می‌شود. این بیماری هنگامی اتفاق می افتد که عروق قلب توسط تجمع پلاک‌ها (plaque) مسدود شوند. بیمارانی که با این شرایط روبرو هستند ممکن است دچار تنگی نفس، درد قفسه سینه، سبکی سر و موارد دیگر شوند. برای درمان این بیماری، متخصصان پزشکی گاهی اوقات از یک استنت فلزی کوچک برای باز نگه داشتن شریان مسدود شده استفاده می کنند. با این حال، بافت می تواند روی استنت رشد کند و در نتیجه عروق مجدداً مسدود شود. یکی از راه های جلوگیری از رشد بیش از حد بافت، استفاده از استنت‌های آزادکننده دارویی است که توسط دارو پوشانده شده و برای کاهش تکثیر سلولی در شریان طراحی شده است. برای درک بهتر نحوه کار این استنت‌ها، تیمی از مهندسان Boston Scientific، یک توسعه دهنده ابتکاری تجهیزات پزشکی، از شبیه سازی چند فیزیکی استفاده کردند.

کاربرد کامسول در صنعت پزشکی

تصویری از یک رگ خونی انسداد یافته توسط پلاک (بالا سمت چپ) ، قرارگیری و انبساط استنت در رگ خونی مسدود شده توسط پلاک (بالا سمت راست) و یک استنت که در یک رگ خونی کار می کند (پایین).

تیم  Boston Scientific در کار خود، پروفایل آزاد سازی پوشش استنت آزادکننده دارو را مدل‌سازی و بررسی کردند. (پروفایل آزادسازی سرعت حل شدن پوشش دارویی در بافت رگ است.) این تحقیق به تیم کمک کرد تا یک استنت آزادکننده دارو با یک پروفایل آزاد سازی قابل کنترل را طراحی کنند که برای نیازهای خود بیمار قابل تنظیم است.

مرجع: وبسایت کامسول COMSOL.com

Comsol Projects

به منظور انجام پروژه کامسول

ضبط آموزش اختصاصی برای فراگیر

پشتیبانی کامل از آموزش

فرزانه مقصودی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *