مهندسی بهداشت و درمان و زیست پزشکی

مقدمه

بیومهندسی، که اغلب به عنوان مهندسی بهداشت و درمان و بیوپزشکی شناخته می‌شود، یک حوزه STEM چند رشته‌ای است که زیست‌شناسی و مهندسی را برای اعمال ایده‌ها و مواد مهندسی در پزشکی و بهداشت ادغام می‌کند. افزایش تقاضا برای مهندسان پزشکی به تغییر کلی جامعه به سمت استفاده از ماشین‌آلات و تکنولوژی در بسیاری از بخش‌های زندگی مرتبط است. ترکیب اصول مهندسی با دانش بیولوژیکی برای حل نیازهای پزشکی منجر به توسعه نوآوری‌های پیشگامانه و نجات‌بخش مانند اندام‌های مصنوعی، ربات‌های جراحی، پروتزهای پیشرفته، داروهای جدید دارویی، و دیالیز کلیه شده‌است. ​

مهندسی پزشکی یک رشته گسترده با حوزه‌های مختلف تخصصی است، و نوع کاری که شما انجام خواهید داد بسته به ویژگی‌های حرفه شما متفاوت خواهد بود. بیومدیکال الکترونیک، بیومواد، بیولوژی محاسباتی، موضوع و مهندسی ژنتیک، تصویربرداری پزشکی، و بیومهندسی داروسازی بیونانو تکنولوژی تنها تعداد کمی از رشته‌های مهندسی پزشکی هستند.

چگونه می توان مهندسی پزشکی و بهداشت و درمان را با استفاده از شبیه‌سازی CFD بهبود بخشید؟

پیشرفت‌های محاسبات پزشکی چهره زیست‌شناسی و پزشکی را در تحقیقات و عملکرد بالینی تغییر داده‌است. مزایای محاسبات پزشکی متعدد و متنوع هستند. آن‌ها برای به دست آوردن درک بهتر از فیزیولوژی انسان، قادر ساختن اکتشافات جدید پزشکی، و کمک به توسعه درمان‌های بالینی جدید، حیاتی هستند. در زمینه بیومدیکال، چندین رویکرد عددی برای اهداف شبیه‌سازی بکار گرفته شده‌اند. برای تحلیل ساختاری، روش‌هایی مانند روش آلمان محدود (‏FEM)‏مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای مثال، آنالیز استرس جمجمه انسان در طول برخورد سر و یا مطالعه توزیع استرس در ایمپلنت های کفل، چند مثال را نام ببرید. تکنیک‌های دینامیک سیالات محاسباتی به درک حرکت سیال در داخل و اطراف بدن کمک می‌کنند. از CFD در حوزه زیست پزشکی برای تحلیل جریان خون در شریان‌ها، شبیه‌سازی جریان هوا در مجاری تنفسی و غیره استفاده می‌شود. ​

آنالیز حرارتی یک روش جالب دیگر است که به درک مکانیسم انتقال حرارت بین بخش‌های مختلف بدن و محیط خارجی کمک می‌کند. آنالیز حرارتی خنک کردن قلب انسان در طول عمل جراحی قلب یکی از این کاربردها است. یک رویکرد شبیه‌سازی مهم دیگر، دینامیک چند جسمی است که به درک بیومکانیک انسان کمک می‌کند. این امر به ویژه زمانی مفید است که حرکات یک فرد آسیب‌دیده یا دارای نقص جسمانی را درک کنیم. تکنیک بهینه‌سازی جدیدترین تکنولوژی در محاسبات زیست پزشکی است. در حال حاضر از الگوریتم های بهینه‌سازی برای بهبود طرح‌های دستگاه‌های پزشکی کاشته‌شده در بدن بیمار استفاده می‌شود. بهینه‌سازی استنت های خاص بیمار و ایمپلنت های لگن برخی از نمونه‌های رایج هستند. ​

CFD در کاهش پراکندگی ریزقطرات حامل ویروس

پاندمی COVID۱۹ چالش بزرگی را برای سلامت و اقتصاد جهان در سال‌های اخیر آغاز کرده‌است. تلاش‌های بسیاری برای استفاده از رویکرد CFD در این پاندمی صورت‌گرفته است. از CFD برای درک پراکندگی و انتقال این ویروس در هوا در موقعیت‌ها و ساختمان‌های مختلف استفاده شده‌است. مدل‌سازی CFD تاثیر شرایط مختلف تهویه را برای بحث در مورد جلوگیری از انتقال COVID۱۹ مورد مطالعه قرار داد. فاصله اجتماعی و استفاده از ماسک‌های چهره نیز توسط رویکرد CFD برای مطالعه اثر بر کاهش پراکندگی ریزقطرات حاوی ویروس مدل‌سازی شد. ​

کاربردهای CFD برای مدلسازی انتشار COVID۱۹ در یک کابین هواپیما، یک آسانسور، یک کلاس کوچک، اتاق عمل یک بیمارستان، یک رستوران، یک اتاق انتظار بیمارستان، و یک اتاق ریکاوری کودکان در یک بیمارستان را می توان در سناریوهای مختلف مورد بحث قرار داد. مدل‌سازی CFD برای مطالعه اثر فاصله اجتماعی با فضاهای مختلف، استفاده و عدم استفاده از ماسک صورت، تفاوت بین عطسه و سرفه، چیدمان های مختلف تهویه ورودی / خروجی، ترکیب دستگاه‌های تهویه مطبوع و بهداشتی، و استفاده از سیستم‌های تهویه مطبوع عمومی یا محلی، از کاربردهای شبیه‌سازی CFD در مهندسی پزشکی است. ​

CFD برای حذف سرطان

شیمی‌درمانی درون اندامی، علی‌رغم اثرات جانبی نامطلوب، یک روش درمانی ارجح برای سرطان کبد اولیه است. در طول IAC، مخلوطی از داروهای شیمی‌درمانی، به عنوان مثال، دوکسوروبیسین، به شریکی که تومور را تامین می‌کند، تزریق می‌شود. تومور بخشی از دوکسوروبیسین را جذب کرد، اما داروی باقی مانده به گردش سیستمیک وارد شد، که باعث نارسایی غیرقابل‌برگشت قلب شد. اثربخشی و ایمنی IAC را می توان با تصفیه شیمیایی داروهای اضافی با یک دستگاه Chemofilter مبتنی بر کاتتر، همانطور که توسط گروهی از نورورادیولوژیست‌ها پیشنهاد شده‌است، بهبود بخشید. ​

مدل‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (‏CFD) ‏می‌تواند برای بهینه‌سازی عملکرد همودینامیک و پیوند دارو در دستگاه Chemofilter مورد استفاده قرار گیرد. ​

شبیه‌سازی رگ های مختلف در CFD

استفاده از مدل‌های مبتنی بر تصویر و دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیه‌سازی جریان خون، کاربرد قابل‌توجهی در ارزیابی پارامترهای همودینامیک مرتبط با شروع و پیشرفت بیماری‌های قلبی عروقی و طراحی درمان پیدا کرده‌است. CFD می‌تواند تجسم جریان را برای نشان دادن پدیده‌های جریان مانند چرخش مجدد فراهم کند. شبیه‌سازی‌ها همچنین می‌توانند معیارهای ارزشمندی را برای تجزیه و تحلیل کمی فراهم کنند که امکان مقایسه بین تکنیک‌های آناستوموز را فراهم می‌کند. ​

نتایج CFD همچنین می‌تواند مناطقی از تنش برشی بالا را برجسته کند که در آن آسیب گلبول قرمز خون رخ می‌دهد. یک مزیت کلیدی CFD نسبت به روش‌های تجربی این است که تمام ویژگی‌های جریان به طور ذاتی در کل دامنه شبیه‌سازی شده محاسبه می‌شوند. ​

این مقاله تعداد کمی از کاربردهای CFD را در بهبود مهندسی پزشکی و بهداشت و درمان پوشش داده‌است. صنعت بهداشت و درمان پر از کاربردهایی برای CFD است. از سرخرگ‌های دایسپنه و یا اثر اکلیپس رگ‌ها بر توزیع فشار. دینامیک سیالات برای بسیاری از جنبه‌های بخش پزشکی و بهداشت و درمان اساسی هستند. اگرچه نمونه‌های اولیه واقعی برای مراحل بعدی توسعه، طراحی و بهینه‌سازی در طول مراحل اولیه استاندارد هستند، اما می‌توانند با مطالعات CFD به طور قابل‌توجهی تسریع شوند. ​

خدمات پردازشگران سیال و سازه مهر

تیم پردازشگران سیال و سازه مهر پروژه‌های شبیه‌سازی برون سپاری متعددی را برای کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی بیوپزشکی و مهندسی مراقبت‌های بهداشتی اجرا کردند. با چندین سال تجربه شبیه‌سازی طیف گسترده‌ای از مشکلات در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent، تیم پردازشگران سیال و سازه مهر آماده ارائه خدمات گسترده از پیکربندی‌های شبیه‌سازی است. به عنوان مثال، شبیه‌سازی جریان خون در سرخرگ مسدود شده، که نحوه رفتار خون را زمانی که انسداد خمیده در مرکز جریان خون به عنوان نشانه‌ای از گرفتگی وجود دارد، به تصویر می‌کشد، یکی از مطالعات مستقل و انجام‌شده توسط پردازشگران سیال و سازه مهر است که کاربردهای عمده‌ای دارد. ​

در یک مثال دیگر، از CFD برای طراحی و تجهیز اتاق بیمارستان با تهویه مطبوع استفاده شده‌است. وقتی که بیمار تنفس می‌کند، اکسیژن دریافت می‌کند و دی‌اکسید کربن را بیرون می‌دهد. ​

هدف اصلی این شبیه‌سازی این است که اجازه دهد هوای تازه (‏حامل اکسیژن)‏به طور مداوم به داخل اتاق جریان یابد تا اینکه هوای آلوده از طریق دهان بیمار به محیط بیرون رانده شود. هوای تازه از طریق سیستم‌های تهویه و دستگاه‌های تهویه نصب‌شده بر روی سقف و کف اتاق به گردش در می‌آید و آن را از منافذ کناری به محیط بیرون هدایت می‌کند. ​

روش‌های رایج درمان سرطان شامل جراحی، پرتو درمانی و شیمی‌درمانی است. این روش‌ها معایبی از جمله پرخاشگری، بازگشت ناپذیری و عوارض جانبی دارند. گرم شدن در هایپرترمیا درمانی از ورود اکسیژن و مواد مغذی به بافت ناسالم جلوگیری می‌کند. بدین ترتیب پروتئین‌های موجود در بافت ماهیت خود را تغییر داده و سلول‌های سرطانی را احاطه می‌کنند. این امر شناسایی سلول‌های سرطانی را برای سیستم ایمنی ممکن می‌سازد. ​

نرم‌افزار ANSYS Fluent می‌تواند برای شبیه‌سازی این مدل استفاده شود. مطالعه زیر از فراگرما (hyperthermia) درمانی برای تحلیل جریان خون در مویرگ‌های در حال عبور از بافت حاوی تومورهای بدخیم استفاده کرده‌است. ما از کره کروی برای نشان دادن بافت یا سلول سالم انسانی با جریان خون بسیار آهسته استفاده خواهیم کرد. ​

چهار تومور سرطانی کروی با قطره‌ای مختلف در مرکز این بافت و در سطح رگ‌ها به عنوان بافت بیولوژیکی وجود دارد. این مطالعه به بررسی پاسخ رگ‌های خونی و بافت‌های بدن به این گرما می‌پردازد. ​

پردازشگران سیال و سازه مهر، کارشناس در زمینه شبیه‌سازی‌های پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی

با چندین سال تجربه در شبیه‌سازی مشکلات مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent، شرکت پردازشگران سیال و سازه مهر آماده ارائه خدمات مدل‌سازی، مش بندی و شبیه‌سازی گسترده است. سرویس‌های شبیه‌سازی ما برای شبیه‌سازی‌های بهداشتی و پزشکی به صورت زیر دسته‌بندی شده‌اند:

• شبیه سازی حذف سرطان با استفاده از انتقال حرارت
• شبیه سازی جریان خون در عروق
• شبیه سازی شریان های اکلیپس
• تاثیر اکلیپس رگ‌ها بر توزیع فشار
• شبیه سازی عروق مختلف (کرونری، کاروتید، ورید، شریان و …)
• شبیه سازی انواع میکرو شناگر
• شبیه سازی ذرات ویروس (کووید-19،…)
• …

شما میتوانید محصولات مرتبط با مقوله شبیه‌سازی بهداشتی و پزشکی را در مرکز آموزشی پیدا کنید. ​

خدمات ما به موضوعات ذکر شده محدود نمی‌شود، و پردازشگران سیال و سازه مهر آماده اجرای پروژه‌های مختلف و چالش برانگیز در حوزه مهندسی پزشکی و پزشکی است که مشتریان ما سفارش داده‌اند. ما حتی انجام شبیه‌سازی CFD برای هر طرح انتزاعی یا مفهومی که در ذهن خود دارید را قبول می‌کنیم تا آن‌ها را به واقعیت تبدیل کنیم و حتی به شما کمک کنیم تا به بهترین طراحی برای آنچه که ممکن است تصور کرده باشید برسید. شما می‌توانید از مشاوره متخصص پردازشگران سیال و سازه مهر به صورت رایگان بهره ببرید و سپس سفارش دهید که پروژه شما شبیه‌سازی و آموزش داده شود. ​

با برون سپاری پروژه خود به پردازشگران سیال و سازه مهر به عنوان یک شبیه‌ساز آزاد، شما نه تنها فایل‌های منبع پروژه مربوطه را دریافت خواهید کرد (‏هندسه، مش، داده ها، …)‏، بلکه یک ویدئوی آموزشی جامع ارائه خواهید شد که نشان می‌دهد چگونه می‌توانید هندسه، مش، و تنظیمات مورد نیاز (‏پیش‌پردازش، پردازش و پس پردازش)‏را در نرم‌افزار ANSYS Fluent خودتان ایجاد کرده و تعریف کنید. علاوه بر این، پشتیبانی پسا فنی برای روشن‌شدن مسائل و ابهامات موجود است. ​