“通过对新产品进行设计和改进，计算机建模已经证明了它的价值。”
这是John Kalafut，一位MEDRAD研发部门(Indianola,Pennsylvania)的首席研究学者的经验之谈，他指出“COMSOL Multiphysics在我的整个职业生涯中陪伴着我，最初是在MEDRAD公司的系统工程方面，现在则是在R&D方面，甚至是用在那些多年后才能商业化量产的产品上”。Kalafut作为一个医学工程师的经验显示了在很多时候我们都需要解决多物理场耦合模型的问题。
MEDRAD，一个每年有5亿美元销售额的成像诊断和治疗的医学设备生产商、销售商和服务提供商，它的业务主要集中在三个领域：心脑血管诊断，磁共振成像，X线断层摄影术。公司在世界范围内有1700名员工，来自全世界的医师每年使用该公司的两千万个医疗程序。公司的核心竞争力之一就是血管内流体输送，比如，如何供应精确的药剂量或者造影剂的量。公司的研发部门为了保持公司每年15%的成长速度负责研究新型的技术，投资商业项目和医学应用。
公司的5名工程师利用COMSOL软件解决了大量的难题。Kalafut说，“COMSOL Multiphysics是一个自然地选择，它可以给我们在一些新概念的研究上提供支持，对于所有的生物医学工程师而言这是帮助我们研究的相当有利的一个工具，它的完全的多场耦合仿真能力意味着我们几乎可以处理任何的多场耦合问题。COMSOL Multiphysics让我们花费不多的钱来对复杂的耦合现象有一个快速的认识和研究。”
从建模的角度来看，很多公司的研究涉及到如何用最有效，最安全的方式去传输那些帮助诊断的流体到病人的身体中去。在类似的研究中流体动力学发挥着一个重要的作用，这些模型包括热传导、静电学、化学工程、电磁学和其他物理方面的模型。
找到最好的峰值增强治疗
如果CT扫描仪扫描完整人体的全部过程可以在很短时间内完成，那么传输速度将是影响其扫描速度提高的非常重要的因素（图1a）。
为了用现代化的CT扫描仪得到极好的诊断图像，造影剂的注射和传输必须要和图像处理同步进行。新型CT扫描仪的一个显著的优点就是，由于图像处理花费一个更短的时间，所以总共所需的造影剂的剂量就可以减少了。时间周期变短了，但是在短的时间段里医生们必须对于造影剂是如何在人体内输送的要有一个明确的认识。
由于流体通过血管系统传送速度的加快，快速的注射改变了峰值的轮廓。传输顶点有时并不能很好的同步，病人必须被重新注射和扫描。另外，不同的病人体内表现出一种不同的流动状态（时间-密度曲线），这就使得合理的造影剂传输方案更加复杂化了。关键的问题变成为：到底注射多少造影剂到心脏和血液中才能得到好的图像效果？以多大的比率？注射应该持续多长的时间？
正如MEDRAD公司研发新型系统的目的一样，研究者们一个主要的目标就是尽可能快地知道进入到血液和心脏里面的造影剂的最大数量。研究者们需要去研究通过细管的粘滞性流体流动的动力学，它的流动速度处于0ml/s到6ml/s或者7ml/s之间。
|
|
| 图1a CT成像系统使我们具有了以一个标准化的比率注射造影剂和生理盐水的能力，注射过程通过活塞式推动来进行。建立的模型可以帮助我们确定输送剂量的最优化比率。 |
为了解决这些问题，MEDRAD公司正在发展一个智能注射系统，医生首先要演示一个可以由计算机识别的注射过程，然后系统会计算出合适的造影剂的注射量。在这项技术的研究中，研究者会需要一个人体的有限元模型或者动物有限元模型。然而，制作一个完全的人体有限元模型是不切实际的，于是Kalafut和他的团队把注意力集中到从注射点到心脏的那部分血管上，从而确定在药物的行进过程中会发生什么情况。（图1b）
他们用COMSOL Multiphysics中的化学工程模块去分析早期注射的动力性。他们耦合了Navier-Stokes应用模式和对流扩散模式去获得通过外周血管进入心脏的造影剂的分布。在造影剂分布的前期阶段里，确定无损失是很困难的，这也是去了解造影剂流动的动力学里面很重要的一个方面。
我们对注射后造影剂分布的模型有一些假设，通过数值建模和仿真获得的经验使我们对这些假设充满了信心。这些模型应用的一个例子就是理解从注射点开始到心脏的通行时间，具有代表性的注射点是一个大的带孔的针插入进一个胳膊血管中所形成的。在一些病人当中，由于存在患病的静脉系统不同，或者会有堵塞的血管，甚至是注射时胳膊的位置不同，这都使得其中一部分注射的造影剂无法象个被规定好的小药丸那样输运。相反地，造影剂可能会扩散或者经过一个不同的时间而到达。这样的情况产生了控制上的困难和造影剂的输运困难。
|
|
| 图1b 从造影剂的注射点到心脏的循环系统的简单的模型。利用这个具有探索性质的模型，工程师们可以确定在什么样的条件下可以达到造影剂的最优化的分布 |
COMSOL模型在讨论影响造影剂流动的因素方面发挥着重要作用。由于被注射的比例高于在医学研究方面的典型数值（2-8ml/s），所以对于在注射点处进行怎样的处理也是需要用COMSOL Multiphysics研究的一个领域。图2显示了一个二维仿真模型，描述高粘滞性流体流入一个血管中的过程。这个仿真的结果耦合了材料和物理模型以便更好地理解在注射点的注射率和动力学之间的关系。当临床医生在造影剂的注射前期评估注射点失败的可能性（一个不同寻常而恶化的状况）的时候，这方面的知识可以提供帮助。这个模型使得医生可以更好的使用造影剂，从而进行更好地扫描和诊断。
|
|
| 图2 造影剂混合进血液的二维模型，它可以用来研究造影剂在血液中的扩散现象 |
导管不会损坏血管壁
除了设计血管注射系统、患者监护系统和MRI表面线圈之外，MEDRAD也设计和销售了用于血管造影的导管。这是一个非常新颖的设备，即Vanguard DX 导管（图3a）。相对于传统的导口设计而言，Vanguard DX 导管的扩散端的管口设计充分考虑到了对于所注射的造影剂（在成像的时候为了形成一个对比）的均衡的分布，它们都倾向于使造影剂从外部的端口高速地流入。Vanguard DX导管减少了与从孔中流入的造影剂相关的反作用力，因此降低了导管拉动血管壁和损坏它们的可能性。
|
|
|
图3a能够到对造影剂进行均衡分配的Vanguard DX 导管。它的激光形成的小孔迫使造影剂在导管中呈放射状地流动。 |
此处出现了一个至关重要的问题：对于优化流体传输同时阻止结构弯曲来说，导管端处的孔或切口具有什么样的外形才是完美的呢？研究者用COMSOL Multiphysics（应力-应变分析中的层流的耦合力）建立流体与结构交互作用的模型，此交互作用发生在带有不同孔洞形状，几何外形和流动模式的导管中（图3b）。 Kalafut讲述到，“我们的一个国际学生，Ai Pi，凯斯西储大学在读的生物工程师，设计了很多不同形状的孔分别对应于不同的流体的条件。我们用这些结果去限制台式模型的数量，机械工程师可以去制作这些模型，它们可以帮助工程师们在不需要开发很多原型的情况下就可以确定那些新想法的可行性。
|
|
| 图3b显示的是带有一系列小洞（左图）的血液导管的端口偏移和带有一系列位于中部圆周的切口（右图）的Vanguard DX 导管端口偏移。上图结果现实，切口可以使导管偏移更少，从而降低对动脉造成伤害的风险 |
通讯链的保护
公司关于有限元模型（他们发现利用COMSOL Multiphysics建立模型很容易）的第一个重要的经验来自于一个升级的MRI对比注射系统中出现的问题。这种系统用红外线链来在治疗室的注射台和四周用玻璃围住的控制房内的操作面板之间进行通信（图4a）。分量退化（从产品中取得的完整的电路图片转换器）要求对通信链进行重新设计。然而，所替代的部分带来了新的问题；它是比较失败的因为它更易受到来自于MRI扫描和系统固有的电压所产生的电磁干涉的影响。
|
|
| 图4a 一个MRI造影剂注射系统包括一个远程控制面板（具有一个控制注射头的界面，注射头位于治疗室内，它们之间通过无线连接）。新的图像转换器往往会有电磁干涉，需要用COMSOL Multiphysics来设计优化它的保护装置。 |
如何减少电磁域对照片转换器的影响成为了决定因素之一。用COMSOL Multiphysics，Kalafut快速地将这些问题呈现给其他工程师，工程们讨论并认定，收发器结构外部设置一个保护结构将会是一个快速而且方便的解决方案（图4b）。他解释到“我们不得不去决定保护层应该是多厚和完成一个充分的工作需要什么样的形状，但是保护装置也要尽可能地小和适合已经存在的设备。”用COMSOL Multiphysics 他建立了一个参数求解器去检查不同的几何体。“这种方法节省了数周的上台测试时间和建立原型的时间。另外，为了方便我们同其他的工程师以及那些第一次欣赏到这些虚拟原型的人们进行沟通，我们开发了3D显示功能，它极大的方便了我们和他们讨论这些虚拟模型的价值。”
|
|
| 图4b COMSOL Multiphysics中带有电磁场的图像转换器模型。仿真结果显示了几何体附近的电场E。目的是为了去保护开放的区域（圆形域）免受外部大于20V/m的电场E的影响。 |
造影剂传输的优化
MEDRAD的R&D部门的另外一个任务就是为了确保公司未来的发展而去研究5-10年内不会商业化的技术。这其中的一个领域就是研究不仅仅输送药品或者诊断性流体到患者的血液循环中，甚至也可以输送活体细胞。在这里，流变学的研究是首要的，因为，输送系统不能形成大的剪力，否则输送过程可能损坏所注射的生物活性材料。
Mary Uram，MEDRAD公司研发部门的一个高级研究员，目前正在研究用COMSOL Multiphysics去建立流动路径模型，这个流动路径是位于一个包含生物药物的注射器和这些生物药物所要注射进的组织之间的。当试图在层流、高速流域和任意使用的回路管内的低剪切区域之间进行交换的时候，COMSOL可以进行多重几何体的快速的分析。
一个非常重要的问题是我们需要什么样的注射器。建立从注射器到导管的过渡模型是非常重要的。我们的想法是建立一个在流动路径上没有突变的过渡模型。图5中的模型显示了药物在流动路径上发生的变化，它是随着注射器出口处的设计的不同而变化的。被研究的部分包括：插入组织内的针上的小孔的最适宜的形状，用3D非牛顿流体仿真的至关重要的剪切区域，用其他方法不易获得的内部速度场。MEDRAD 的R&D部门最近为了对实验中的流域进行测量和量子化，已经配备了PIV系统。PIV系统可以被用来去验证COMSOL的仿真结果。
|
|
| 图5 带有速度场分布的注射器和针孔模型。设计者试图研究剪切力并且用此模型帮助确定如何控制这些剪切力。 |
关于COMSOL 
对于多物理场耦合系统的建模和仿真而言，COMSOL Multiphysics提供了一个科学的软件分析环境。COMSOL在计算多场耦合方面是非常有实力的。它的随机模块增加了一些特殊的学科工具包括化学工程、地球科学、电磁学、热传导、MEMS和结构力学。利用COMSOL的其他模块包括COMSOL反应工程实验室，用户可以建立反应系统的模型。另外，COMSOL Script是一种和MATLAB兼容的程序语言，它既可以作为一般科学计算的工具也可以提供一个基于图形用户界面的COMSOL Multiphysics 模型的源程序。COMSOL产品在Windows, Linux,Solaris和Macintosh 操作系统下都可以很好运行。关于COMSOL Multiphysics和相关产品的更多信息请参见www.comsol.com ，Comsol公司 在 1986 年成立于瑞典的斯德哥尔摩，目前已在比利时、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国和美国麻州、加州等成立分公司。关于公司的其他信息可以参见www.comsol.com
COMSOL, COMSOL Multiphysics, COMSOL Reaction Engineering Lab, COMSOL Script 和FEMLAB是COMSOL.AB 的注册商标。MATLAB是MathWorks, Inc的注册商标。
关于中仿科技
中仿科技公司(CnTechCo.,Ltd)是专业从事工程仿真分析软件和咨询服务的提供商，业务包括项目咨询和专业软件的集成和实施等。公司总部设在上海，相继在北京、武汉和深圳成立办事处，为了更好的服务广大客户，公司将陆续在全国各大主要城市设置业务分支机构。
中仿科技是瑞典COMSOL公司在中国区独家总代理。公司将坚持不懈，及时为国内外客户提供全球最前沿最顶端的科技服务。中仿科技将始终怀着"谦虚、诚实、敬业"的态度，秉承"关注客户需求、提升客户价值"的核心理念，始终遵循"客户满意为止"的服务准则，真诚地为客户排忧解难、出谋划策、提供专业的技术应用服务，力争成为仿真技术行业的典范！
关于我们更多的软件产品以及服务信息，请登录公司网站：www.CnTech.com.cn 获取更详尽资料。
