بهینه سازی طراحی دیالایزر با استفاده از شبیه سازی چندفیزیکی

مدتی پیش، من این فرصت را داشتم که با استیون کنراد، یک پزشک مراقبت های ویژه در مرکز علوم بهداشتی دانشگاه ایالتی لوئیزیانا (LSU) در نیواورلئان صحبت کنم. دکتر کنراد نه تنها یک پزشک و همچنین یک استاد در LSU است، بلکه یک مهندس زیست پزشکی است که از تجزیه و تحلیل اجزای محدود (FEA) برای انجام تحقیقات در مورد طراحی دیالیزورها استفاده می کند. دکتر کنراد از COMSOL Multiphysics استفاده می‌کند تا درک عمیق‌تری از فیزیک پشت این دستگاه‌ها به دست آورد و شبیه‌سازی‌هایی را ایجاد کند که در طراحی پیشرفته دیالیز هستند. در اینجا، می‌خواهم برخی از تحقیقات فعلی او و نحوه استفاده او از FEA و شبیه‌سازی‌های چندفیزیکی برای بهینه‌سازی طراحی دیالیزورها را به اشتراک بگذارم.

سرعت در یک رگ جریان می یابد
سرعت جریان خون را در محل اتصال بین
یک شریان ورودی (چپ) و یک پیوند عروق مصنوعی (پایین) در یک
مدار دسترسی عروقی شبیه‌سازی شده ساده می‌کند.

درمان های جایگزین کلیه

در مقاله‌ای که بر اساس مصاحبه با استیون کنراد نوشتم (« پزشک از شبیه‌سازی چندفیزیکی برای بهبود طراحی دیالیزور استفاده می‌کند »، طرح‌های دیالیزور او و همچنین اجرای مدل‌های اجزای محدود او را مورد بحث قرار دادم.

وزارت بهداشت و خدمات انسانی ایالات متحده حقایق ترسناکی را در مورد بیماری های کلیوی و نارسایی کلیوی گزارش می کند. این بیان می‌کند که از هر نه بزرگسال آمریکایی، یک نفر (یعنی بیش از 26 میلیون نفر!) از نارسایی کلیه رنج می‌برد که به نوبه خود سالانه 40 میلیارد دلار منابع پزشکی را شامل می‌شود (تا سال 2009). با افزایش 5 تا 10 درصدی تعداد بیماران نیازمند دیالیز در هر سال، بدیهی است که هزینه‌های درمان سالانه همچنان رو به افزایش خواهد بود. بهینه سازی فرآیند دیالیز نه تنها می تواند شانس زنده ماندن بیمار را افزایش دهد، بلکه با کاهش بار مالی دیالیز، هزینه های پزشکی را نیز کاهش می دهد، که پس از آن امکان درمان بیماران بیشتری را فراهم می کند.

مدلسازی جریان سیال در دیالایزرها

درمان‌های جایگزین کلیه، مانند دیالیز، برای حذف الکترولیت‌ها، متابولیت‌ها و آب اضافی که در نتیجه نارسایی کلیه در بدن جمع می‌شوند، کار می‌کنند. یکی از این دستگاه‌ها که در بسیاری از درمان‌های جایگزین کلیوی استفاده می‌شود، همودیافیلتر است – دیالیزوری که از یک غشای مصنوعی تشکیل شده است. این غشاء از الیاف توخالی متقارن محوری و دیالیز تشکیل شده است ، مایعی غیر نیوتنی که سموم و املاح را از خون فیلتر می کند. دیالیز به پیوند دسترسی عروقی از فیستول شریانی وریدی متصل می شود. مواد زائد به داخل دیالیز فیلتر می شوند در حالی که خون تمیز باقی مانده از طریق ورید به بدن پمپ می شود.

نمودار شماتیک طراحی دیالیز

بهبود در طرح های دیالایزر گذشته

استفاده از شبیه سازی های چندفیزیکی در زمینه های پزشکی و بیولوژیکی در حال رشد است. طراحی دیالیزورها یکی از نمونه‌های عالی از روش‌های درمانی است که در آن شبیه‌سازی تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. مدل‌های دیالایزر قبلی عمدتاً به صورت تجربی طراحی شده بودند یا از مدل‌های محفظه‌ای استفاده می‌کردند که تعاملات درون دیالیز را بسیار ساده می‌کرد. طرح های دکتر کنراد پیشرفت های زیادی را برای این مدل های ساده شده ارائه می دهد.

یکی از پیشرفت‌های اصلی، شبیه‌سازی کامل‌تر غشاهای متخلخلی است که فیبرهای توخالی دیالیز را می‌پوشانند. مدل‌های دکتر کنراد فعل و انفعالات نزدیک غشایی را که بین خون و غشاء اتفاق می‌افتد، در نظر می‌گیرند. چنین فعل و انفعالاتی شامل انتقال همرفتی و انتشاری در سراسر غشاء و فیلتراسیون برگشتی است که می تواند زمانی رخ دهد که دیالیز به داخل خون فیلتر شده برگردد.

می توانید با مطالعه مقاله کامل در وب سایت Medical Design Briefs درباره فیزیک که در شبیه سازی دیالیز دکتر کنراد پیاده سازی شده است، اطلاعات بیشتری کسب کنید .