Mô phỏng số cải thiện phương án trị liệu bệnh đường hô hấp
2020-04-03 ---
Chia sẻ
Các bệnh về đường hô hấp được cho là một nguyên nhân hàng đầu gây tử vong toàn cầu, gây gánh nặng tài chính nặng nề đối với các hệ thống chăm sóc sức khỏe. Khoảng 250 triệu người bị ảnh hưởng và chi phí điều trị của họ là hơn 10.000 đô la Mỹ mỗi năm. Dịch Covid-19 là minh chứng đau đớn nhất mà bạn có thể thấy tác hại của nhóm bệnh này. Dễ dàng hiểu tại sao các nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe và các cơ quan quản lý trên toàn cầu đang làm việc để cải thiện chất lượng điều trị cũng như giảm chi phí liên quan.
Có những trở ngại
Kỹ thuật phát triển sản phẩm gặp trở ngại là kiến thức hạn chế về mô hình dòng khí và vận chuyển hạt mịn trong đường thở của con người, dẫn đến việc vận chuyển thuốc rất kém. Máy hô hấp tốt nhất cung cấp khoảng 30% tổng lượng thuốc hít vào các vị trí mục tiêu dự định; phần lớn thuốc bị lãng phí và tác dụng phụ là phổ biến. Kịch bản là phức tạp bởi sự thay đổi về mặt giải phẫu và sinh lý giữa các chủ thể cũng như khó khăn trong việc lấy mẫu từ đường thở của con người.
Mô phỏng kỹ thuật có thể làm gì?
Các nghiên cứu thử nghiệm trong lĩnh vực này đầy khó khăn và chi phí lớn, khiến việc tối ưu hóa trong silico trở thành một lựa chọn hấp dẫn, đặc biệt là gần đây. Các nhà nghiên cứu có thể dự đoán tốt hơn các điều kiện khác nhau (tuổi, tình trạng bệnh, biến thể giữa các đối tượng, v.v.) thông qua mô hình hóa, các thông số đầu vào khác nhau như tốc độ dòng khí, hình học đường thở, độ dày lớp niêm dịch (chất nhầy) và độ bám dính. Các nhà nghiên cứu thiết bị y tế có thể tối đa hóa việc cung cấp thuốc bằng cách tối ưu hóa công thức, thay đổi kích thước và hình dạng hạt cùng với các điều kiện hoạt động. Do sự lắng đọng thuốc chủ yếu được chi phối bởi các lực chất lỏng, động lực học chất lỏng tính toán () đã được sử dụng rộng rãi cho các mô phỏng như vậy. Tuy nhiên, việc sử dụng các hạt điểm trong mô phỏng bị hai hạn chế hạn chế tiện ích của nó: hình dạng hạt chỉ hình cầu và điều kiện biên bẫy (trap) hạt. Những hạn chế này có thể được khắc phục một cách hiệu quả bằng mô phỏng phương pháp phần tử rời rạc (), mô hình hóa pha hạt chính xác hơn nhiều so với .
Liên kết (Coupling) -
Tích hợp hoàn toàn với Fluent cho phép liên kết liền mạch -. Đối với vấn đề hiện tại - trong đó chuyển động của hạt thuốc bị ảnh hưởng bởi lực chất lỏng nhưng đến lượt dòng chất lỏng không bị ảnh hưởng bởi các hạt thuốc - kết nối - một chiều là một cách tiếp cận phù hợp. Điều này có thể dễ dàng đạt được bằng cách sử dụng giao diện Rocky. Sau một nghiên cứu độc lập lưới về hình học phổi được tái tạo (Hình 1), mẫu luồng không khí trạng thái ổn định hội tụ trong Fluent có thể được nhập vào Rocky.
Hình 1: Lược đồ của mô hình phổi người từ tạo dựng lại tới tạo lưới.
Sử dụng kết quả mô phỏng, lời giải tích hợp đã tạo ra một hình ảnh động cho thấy rõ sự chuyển động và lắng đọng của hạt trong đường thở khỏe mạnh. Ngoài ra, các tính năng hậu xử lý trong Rocky đã cho phép chúng tôi đánh dấu các hạt lắng đọng tại mỗi thùy phế quản.
Hình 2: Phần lắng đọng trong khu vực miệng-họng của phổi người khỏe mạnh, trong khi hít vào đều đặn 15 LPM (lít trên phút).
Lợi ích áp dụng mô phỏng kỹ thuật
Sử dụng Rocky , tính toán đa môi trường vật lý (multiphysics) - được tích hợp với các công cụ phân tích thống kê dễ sử dụng cung cấp câu trả lời chính xác và nhanh chóng cho việc vận chuyển hạt thuốc. Ví dụ, người dùng có thể theo dõi lại vị trí tiêm của hạt lắng đọng theo khu vực - rất hữu ích trong việc tối ưu hóa bộ truyền động và thiết kế thiết bị gắn miệng. Các nhà nghiên cứu có thể kiểm tra sự thay đổi của tốc độ dòng chảy ổn định cùng với kiểu thở của bệnh nhân thông qua mô phỏng tích hợp hai chiều. Cuối cùng, áp dụng mô phỏng tương tự trên hình học cụ thể của bệnh nhân có thể dẫn đến sự hiểu biết nâng cao về các bệnh của cá nhân, dẫn đến các kế hoạch trị liệu hiệu quả hơn.
Để hiểu hơn về kết quả mô phỏng kỹ thuật, vui lòng xem chi tiết ở video dưới đây.
Hình 1: Lược đồ của mô hình phổi người từ tạo dựng lại tới tạo lưới.