Trang chủ
Xu thế Công nghệ
Thiết kế nhanh thiết bị trợ thở an toàn và đáng tin cậy

Thiết kế nhanh thiết bị trợ thở an toàn và đáng tin cậy

2020-05-20 ---

Công ty Bessel LLC đã làm việc với một nhóm các bác sĩ và kỹ sư từ Trung tâm Khoa học Y tế Đại học công nghệ Texas (TTUHSC) và Đại học Texas (UTEP) tại El Paso để phát triển thiết bị trợ thở Texas Power Bag Breather (Texas Breather^TM) như một hành động nhân đạo trước COVID-19. Texas Breather có khả năng được sử dụng trong đại dịch COVID-19 hoặc trong trường hợp khẩn cấp khi không có máy thở.

Các kỹ sư từ Trung tâm UTEP W.M. Keck với Sáng kiến 3D (3D Innovation) đã thực hiện các mô phỏng kỹ thuật và cũng nhận được sự hỗ trợ công nghệ từ ANSYS để nghiên cứu các thành phần chính của thiết bị trợ thở Texas Breather. Các phân tích bao gồm mô phỏng cơ chế hoạt động, bên cạnh đó là tính toàn vẹn và độ bền của các thành phần của hệ thống.

ANSYS cũng đã cung cấp mô phỏng hiệu suất bằng tính toán động lực học chất lỏng () nghiên cứu chức năng chính của thiết bị trợ thở cho bệnh nhân. Ngoài ra, các mô phỏng cũng bao gồm phân tích độ bền mỏi (tuổi thọ của túi khí) – số chu kỳ tải/không tải mà túi khí có thể thực hiện được trước khi nó yếu đi.

Điều này giúp xác định liệu túi khí có thể duy trì hàng trăm ngàn chu kỳ tải hay không (trong trường hợp này là chu kì thở). Texas Breather với đánh giá tuổi thọ của túi khí được duy trì hơn 7 ngày với hàng trăm ngàn chu kỳ thở đã chứng minh độ tin cậy về mặt cơ học.

Lưu ý: Texas Breather chưa bị từ chối hoặc chấp thuận cho sử dụng bởi FDA (cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm của Mỹ) hoặc các cơ quan quản lý khác (đang chờ xử lý). Texas Breather hiện không được phép sử dụng khẩn cấp.

Những thách thức

Với sự lây lan của đại dịch COVID-19, số bệnh nhân cần được chăm sóc đặc biệt và hỗ trợ hô hấp đang tăng nhanh trên khắp thế giới. Mặc dù các nhà sản xuất máy thở tăng sản lượng, nhưng vẫn không có đủ máy thở truyền thống cho bệnh nhân. Tại một số quốc gia, nhân viên y tế được giao nhiệm vụ rất khó khăn là lựa chọn bệnh nhân được sử dụng máy thở.

Giải pháp hỗ trợ hô hấp cơ bản là sử dụng một thiết bị đơn giản như Texas Breather đẩy một lượng không khí được kiểm soát vào phổi của bệnh nhân để giúp họ thở. Các cơ quan quản lý như FDA đã đẩy nhanh quy trình cấp phép sản phẩm mới, tuy nhiên vẫn cần phải xem xét tính an toàn và hiệu quả cho bất kỳ thiết bị mới nào được sử dụng cho trường hợp khẩn cấp. Trong thời gian ngắn và sự sống của con người gặp nguy hiểm, các phương pháp phát triển sản phẩm truyền thống bằng cách lặp lại các chu kỳ thiết kế - xây dựng - thử nghiệm là không khả thi.

Giải pháp

Công ty Bessel LLC và một nhóm bác sĩ, kỹ sư từ Texas Tech và Đại học Texas sử dụng giải pháp mô phỏng kỹ thuật của ANSYS thay cho các phương pháp thử nghiệm vật lý quy mô lớn để đẩy nhanh quá trình phát triển Texas Breather. Kết quả là một thiết bị hồi sức tự động mới được ra đời dựa trên túi hồi sức thủ công và phụ kiện có sẵn trên thị trường, với độ nén (thể tích) và nhịp hô hấp có thể điều chỉnh.

Hình bên là một nguyên mẫu của Texas Breather gắn liền với mô hình người nhân tạo cho thấy hai phần chính: (A) túi hồi sức thủ công và (B) thiết bị Texas Breather, được thiết kế để nén túi thở một cách cơ học và hỗ trợ thở cho bệnh nhân.

Mặc dù Texas Breather là một thiết bị y tế đơn giản, không có phần mềm nhúng, nhưng nó có tiềm năng sử dụng trong đại dịch COVID-19 cho các trường hợp khẩn cấp ngắn hạn khi không có máy thở. Thiết kế cấu trúc cơ học của thiết bị trợ thở đã nhanh chóng được tối ưu bằng cách kết hợp in 3D và lặp lại thiết kế, phân tích phần tử hữu hạn () giúp dự đoán vị trí hỏng bằng mô phỏng.

Thời gian thử nghiệm vật lý để xác nhận độ tin cậy của thiết bị (thông thường mất từ vài ngày đến vài tuần) là không khả thi trong thời gian đại dịch. Thử nghiệm tuổi thọ thiết bị hiện tại bao gồm các hệ thống đã chạy hơn 18 ngày mà không gặp sự cố. Khả năng mô phỏng này đã biến một quá trình lặp lại với thời gian lặp lại hàng tuần (để tìm các chế độ thất bại) thành một tối ưu hóa chu kỳ duy nhất được thực hiện từ thiết kế đến mô phỏng để xây dựng trong ba ngày, nhờ in và 3D.

Các bộ phận cơ khí được in bằng polycarbonate, kiểm tra lưu lượng thể tích áp suất và kiểm tra tuổi thọ thiết bị bằng Bộ mô phỏng hơi thở IngMar respitrainer®, QuickLung® và ASL 5000TM. Bốn mô hình nghiên cứu cung cấp một sự hiểu biết sâu sắc hơn về hành vi của các thành phần khác nhau của thiết bị, dẫn đến hiệu suất tối ưu và đáng tin cậy.

Mong muốn đánh giá chi tiết toàn bộ hệ thống, hiệu suất của ống thở rất khó khăn, tốn kém và mất thời gian. Công nghệ mô phỏng ANSYS cho phép tiếp cận các vấn đề kỹ thuật này nhanh chóng, đồng thời xác nhận thiết kế ảo của Texas Breather, giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc.

Tóm tắt quá trình thiết kế theo ba bước sau:

Sử dụng một số kỹ thuật mô hình với độ tin cậy khác nhau để mô phỏng hành vi của túi hồi sức thủ công.
Mô phỏng toàn bộ hệ thống bằng động lực học đa vật thể (ANSYS Motion) trong khi kết hợp túi hồi sức thủ công với độ cứng phi tuyến hiệu quả.
Sử dụng tải trên các thành phần của máy trợ thở để thực hiện tối ưu hóa cấu trúc liên kết và hình học.

Dưới đây là 3 mô phỏng chính đối với máy trợ thở Texas Breather:

Mô phỏng biến dạng túi trợ thở thủ công

Bộ giải ANSYS LS-DYNA đã được sử dụng cho phân tích này. Túi hồi sức thủ công được mô phỏng như một lớp vỏ với vật liệu hyperelastic dày 2 mm được mô tả bởi mô hình hyperelastic hai tham số Mooney-Rivlin từ ANSYS Granta cho vật liệu cao su silicon. Hai bề mặt cứng bổ sung cho các điều kiện biên trong Breather đã được thêm vào để làm biến dạng túi hồi sức thủ công.

Mô hình túi trợ thở trong ANSYS LS DYNA

Mô hình trong ANSYS LS-DYNA hiển thị các bề mặt trên và dưới để nén túi khí. Những bề mặt này được coi là bệ mặt cứng.

Kết quả ứng suất từ LS DYNA

Kết quả ứng suất từ mô phỏng LS - DYNA sau khi áp dụng nén 3 inch trên túi hồi sức thủ công.

Các phân tích phần tử hữu hạn () tiết lộ rằng kích thước và bán kính của bề mặt tải có thể được tối ưu hóa để tiếp tục giảm ứng suất và tối đa hóa tuổi thọ mỏi.

Mô phỏng (Fluid–Structure Interaction Simulation) của túi trợ thở thủ công

Các bề mặt trên và dưới của túi trợ thở thủ công được mô hình hóa như các bề mặt cứng trong khi không khí được mô hình hóa như một dòng khí với áp suất ban đầu 1 atm cả bên trong túi và môi trường xung quanh.

Mô phỏng cấu trúc tĩnh của máy trợ thở

Điều kiện biên (trái) và hệ số an toàn (phải) trong mô phỏng cấu trúc tĩnh của trường hợp chính của máy trợ thở.

Ứng suất tối đa tại mức nén cụ thể là 3 inch (~ 7,5 cm) đã được tính toán. Bộ giải ANSYS LS-DYNA đã được sử dụng cho phân tích này. Phương pháp Arbitrary Eularian-Lagrangian (ALE) có cấu trúc đã được sử dụng để mô hình hóa tốt hơn.

Mô phỏng đa vật thể

Tất cả các thành phần của máy thở được cho là được làm bằng vật liệu polycarbonate. Trong mô hình này, túi hồi sức thủ công được mô hình như một lò xo phi tuyến. Đường cong lực – chuyển vị của túi khí thủ công này được lấy từ mô phỏng ANSYS LS-DYNA được mô tả ở trên. ANSYS Motion đã được sử dụng cho nghiên cứu động lực học đa vật thể.

Mô phỏng máy trợ thở trong ANSYS Motion bao gồm tất cả các thành phần cơ học. Túi hồi sức thủ công được mô phỏng như một lò xo phi tuyến.

Ngoài ra, mục tiêu cuối cùng của nghiên cứu này là tìm hiểu sự an toàn về cấu trúc thiết kế của vỏ máy. Để đạt được mục tiêu này, hai mô phỏng đã được tiến hành:

Phân tích cấu trúc tĩnh (Static structural analysis)
Phân tích modal (Modal analysis)

Kết luận

Thí nghiệm sử dụng mô phỏng trên các mẫu thử đã chứng minh rằng Texas Breather đáp ứng các yêu cầu đã được thiết lập về máy trợ thở bao gồm thể tích, áp lực đường thở và nhịp hô hấp. Các thí nghiệm tuổi thọ của thiết bị cũng đã chứng minh độ tin cậy dự kiến trong hơn bảy ngày (hơn 200.000 chu kỳ), và vẫn tiếp tục được thử nghiệm.

Trong vài tuần thay vì vài tháng, một thiết bị chăm sóc khẩn cấp mới đã được thiết kế và thử nghiệm để chứng minh hiệu suất hỗ trợ thở máy và khả năng đáp ứng của thiết bị. Thiết bị này đang được đệ trình để ủy quyền theo quy định (phê duyệt của FDA Hoa Kì), dựa vào sự tin cậy trong thiết kế được cung cấp bởi mô phỏng.