Home -> Editors Desk -> Fysische aspecten bij injecteren

15-01-2010

Multifysisch modelleren in de medische industrie
Fysische aspecten bij injecteren


Door de redactie


Het modelleren met behulp van computers heeft zijn waarde inmiddels wel bewezen voor het ontwerp- en ontwikkelproces en zeker ook voor het implementeren van nieuwe producten. Diverse branches passen deze technologie inmiddels toe, met name de automobielindustrie en de kunststoffen- en elektronicabranche. Veel minder bekend is dat computersimulaties ook worden toegepast bij het ontwikkelen van zeer complexe medische instrumenten.


John Kalafut is overtuigd van het nut dat multifysisch modeleren heeft voor het oplossen van mechanische problemen.

Eén van die organisaties in de medische industrie die frequent computersimulatie toepast is Medrad. Medrad is een Amerikaanse leverancier van medische hulpmiddelen. John Kalafut, een onderzoekswetenschapper bij Medrad, over simulaties: “Deze manier van modelleren vergezelt mij al gedurende mijn gehele loopbaan bij Medrad. Het begon op de afdeling ‘systems engineering’ en tegenwoordig gebruikt ik het veelvuldig op de afdeling R&D. Zelfs voor het modelleren van nieuwe producten, die de komende jaren nog niet beschikbaar zijn, zet ik computersimulaties in.” Kalafut’s ervaringen als medisch engineer tonen hoe nuttig multifysisch modeleren is voor het oplossen van een groot aantal problemen.


Medrad ontwikkelde met Com­sol het Stellan CT imaging systeem, dat vooraf kan berekenen hoeveel contrastvloeistof nodig is om de vloeistof zo snel mogelijk in de bloedbaan en naar het hart te krijgen.

Vloeistofdynamica
Medrad produceert en verkoopt medische hulpmiddelen en biedt gerelateerde diensten. De producten en diensten worden onder andere ingezet voor cardiovasculaire diagnose (hart en bloedvaten), MRI- en CT-scans. Het bedrijf heeft 1700 medewerkers wereldwijd en artsen over de hele wereld gebruiken de producten voor meer dan twintig miljoen medische ingrepen per jaar. Eén van de kerncompetenties van de organisatie is het ontwikkelen van apparatuur ter ondersteuning van het toedienen van vloeistof in de bloedvaten, zoals het toedienen van medicatie of contrastvloeistof.

Vijf engineers binnen de organisatie gebruiken simulatiesoftware van Comsol voor het ontwikkelen van deze injectiesystemen. John Kalafut: “Een groot deel van de onderzoeken hebben betrekking op het toedienen van diagnostische vloeistoffen in het lichaam van een patiënt op een efficiënte en veilige manier. Zo is het van belang om de exacte dosis voor de medicatie te weten alsmede de plaats van de injectie. Bij het injecteren van vloeistof, spelen diverse fysische elementen een rol, zoals vloeistofdynamica, warmteoverdracht, elektrostatica, chemie en elektromagnetisme.”

Multifysisch
Bij het maken van een CT-scan, waarbij contrastvloeistof wordt ingespoten bij een patiënt, is de snelheid waarmee de beelden worden gegenereerd zeer belangrijk. De nieuwste CT-scanners hebben als voordeel dat zij veel sneller een beeld kunnen genereren, waardoor er minder contrastvloeistof nodig is. Hoewel er dus minder tijd nodig is, moeten artsen in dezelfde korte periode wel kunnen zien hoe de vloeistof zich door het lichaam beweegt. Het is daarom noodzakelijk dat de beelden en de CT-scanner gesynchroniseerd zijn. Als dat niet goed is, is het voor de arts onmogelijk om de bewegingen van de vloeistof te analyseren, simpelweg omdat het te snel gaat. De patiënt moet dan wederom geïnjecteerd en gescand worden. Iedere patiënt heeft een ander stromings­profiel, waardoor het lastig is om de juiste dosis contrastvloeistof toe te dienen. Ook kan de geïnjecteerde contrastvloeistof zich bij sommige patiënten niet goed verspreiden door bijv. ziekte, geblokkeerde aderen of de positie van de arm. De contrastvloeistof wordt daardoor uiteengedreven en komt verspreid aan bij het hart. Een dergelijke situatie maakt het doen van voorspellingen onmogelijk en bemoeilijkt het werken met contrastvloeistof. Medrad ontwikkelde daarom een injectiesysteem, dat vooraf kan berekenen hoeveel contrastvloeistof nodig is om de vloeistof zo snel mogelijk in de bloedbaan en naar het hart te krijgen. Het injectiesysteem doet vooraf een soort indicatie-injectie, waarmee het systeem kan bepalen hoeveel contrastvloeistof nodig is. Bij de ontwikkeling van dit systeem werd gebruik gemaakt van de simulatiesoftware van Comsol Multiphysics en de Chemical Engi­neering Module. “Het is onpraktisch om een volledig eindige elementen model te maken van het menselijk lichaam”, aldus John Kalafut. “Om te bepalen wat er met de ingespoten vloeistof gebeurt onderweg naar het hart, richten wij onze aandacht op die bloedvaten die van het injectiepunt naar het hart lopen. Dankzij het gebruik van de software hebben wij een beter inzicht gekregen in de dynamica van het injectieproces en de wijze waarop de contrastvloeistof door de aderen naar het hart loopt. De eerste fase die de vloeistof aflegt, is moeilijk te bepalen, maar is van cruciaal belang voor een goed begrip van de dynamiek van de contrastinjectie en de beweging.” De kennis die werd opgedaan dankzij numerieke modellering en de simulaties, komt overeen met de aannames die wereldwijd zijn gemaakt over de verspreiding van contrastvloeistof na injectie. Deze aannames liggen vast in complexe modellen.


2D-model van contrastvloeistof dat mengt met bloed om de dispersie te onderzoeken van de vloeistof.

Invloedrijke factoren
De modellen van Comsol hebben een belangrijke rol gespeeld bij het ontdekken van de factoren die van invloed zijn op de dynamiek van de contrastvloeistof. Zo ontdekten de engineers, dankzij de simulatie, dat de vloeistof met het Medrad injectiesysteem met een hogere snelheid wordt ingespoten dan doorgaans gebruikelijk is (twee tot acht milliliter per seconde). De resultaten van de simulatie werden gekoppeld aan materiële en fysische modellen, voor een beter begrip van de relatie tussen de injectie en de dynamiek van de vloeistof op de plek waar de vloeistof wordt ingespoten. Deze kennis kan artsen uiteindelijk steunen bij het vinden van de meest geschikte injectieplaats. Het toepassen van computersimulatie leidt zo uiteindelijk tot een beter gebruik van het medisch instrument, betere scans en een betere diagnose.
John Kalafut vertelt hierover: “Omdat we te maken hebben met onderzoek naar complexe interacties tussen verschillende fysische verschijnselen, zochten wij een kosteneffectieve oplossing die deze verschijnselen in één omgeving kon verwerken. We kwamen uit bij Comsol Multiphysics, dankzij het toepassen van deze software konden wij al in een vroegtijdig stadium van een ontwerp onderzoeken of een concept haalbaar was.”


Het model van een ‘phototransducer’ dat een elektro­magnetisch veld laat zien rond de gekozen geometrie.

Nieuwe katheter
Naast het ontwerpen van injectiesystemen en patiëntcontrolesystemen, ontwerpt en verkoopt Medrad ook diagnostische katheters voor angiografie (röntgenonderzoek van de bloedvaten). Een bijzonder nieuw apparaat van Medrad is de Vanguard DX katheter. Traditionele katheters hebben de neiging om het contrastmateriaal met hoge snelheden uit de opening te spuiten, waardoor de kans op schokbewegingen tegen de vaatwanden, en dus beschadigingen, groot is. Medrad ontwikkelde daarom een nieuwe katheter. Het complexe ontwerp van de sproeier zorgt voor een meer gelijkmatige verspreiding van de contrastvloeistof in vergelijking met traditionele katheters.
In dit geval speelde een cruciale vraag: Wat is de ideale configuratie van gaatjes en sleuven rondom de sproeier, waardoor de vloeistof op een optimale manier wordt verspreid? De onderzoekers gebruikten Comsol Multiphysics om de interacties tussen vloeistof en structuur die optreden in de katheter te analyseren. Daarnaast werden ook de configuraties van de gaten, de geometrie en de stromingspatronen berekend. John Kalafut: “We hebben de testresultaten gebruikt om het aantal prototypes, die engineers nodig hebben om te fabriceren en om de haalbaarheid van een idee te bepalen, terug te dringen. Daarom passen wij computersimulaties nu altijd toe bij haalbaarheidsstudies, zelfs op producten die nog niet commercieel interessant voor ons zijn. Het biedt ons de mogelijkheid om steeds voorop te blijven lopen met het ontwikkelen van instrumenten die het leven van artsen en patiënten gemakkelijker maken.”

www.comsol.nl
www.medrad.com





Stabiplan
nedgraphics
CAD Accent