Az iparilag fejlettebb országokban a fejlesztési folyamatok során egyre inkább rutinszerűen alkalmazott mérnöki szimulációk hazánkban még kevésbé terjedtek el. Szimuláció segítségével számtalan különböző virtuális prototípus készíthető, így a legrövidebb idő alatt kialakítható az optimális termékmodell, és elegendő csak azt legyártani tesztelésre. Ezzel rengeteg idő, költség, és gyártási hulladék spórolható meg. A szimuláció bármely iparág fejlesztéseit hatékonyabbá teszi, de kiemelten fontos az egészségügyben, ahol az időtényezőn sokszor emberéletek is múlhatnak.
Az innovatív cégek termékfejlesztései ma már szinte elképzelhetetlenek mérnöki szimulációk nélkül. A szimulációnak már a tervezés során kiemelt szerepet kell kapnia, így alakítható ki a megfelelő design, terméktulajdonságok, és így tesztelhetők a használat során keletkező esetlegesen felmerülő problémák, hibák, még a fizikai gyártás előtt. Egyes új termékek piacra kerülése gyorsabb, míg másokét hosszú évek fejlesztései, tesztelései előzik meg. Utóbbi különösen igaz az egészségügyre, a különböző orvostechnikai eszközökre, de akár a gyógyszerekre is, amelyek fejlesztése és végleges piacra kerülése között jelentős idő is eltelhet. Itt kiemelt szerepet kap a szimuláció, jelentősen lerövidítve ezt az időt, ezzel akár emberéleteket mentve.
Orvostechnikai eszközök szimulációja – a rendszer kihívásai
Az ördög a részletekben rejlik – az orvostechnikai eszközök általában optimalizált alkatrészekből állnak, amelyeket a fejlesztések során különböző fizikai szempontok alapján felmérnek a gyártók. De az optimalizált alkatrészek együttesen még nem feltétlenül eredményeznek optimális rendszereket, ezért a teljes rendszer működésének tesztelése is szükséges. Ez azonban igen költséges lehet, és a tesztek eredményei alapján sokszor nehézkes meghatározni az optimális konfigurációkat, vagy éppen feltárni a hiányosságokat. Éppen az ilyen összetett rendszerek tesztelésénél jelenthet nagy segítséget az ún. rendszerszimuláció, mely a teljes egység összefüggő működését, mechanizmusát vizsgálja. Ez a számítógépes modellezés és ún. in silico* tesztelés ma már elismert alternatívái a fizikai teszteknek.
„Ma már több szimulációs szoftver is rendelkezésre áll a termékfejlesztő csapatok igényeinek kielégítésére, ilyen például az Ansys több mérnöki tudományterületre kiterjedő, rendszerszimulációs és digitális prototípus-fejlesztési platformja, amely lehetővé teszi, hogy a különféle mérnöki háttérrel rendelkező, több szakterületen dolgozó csapatok egységesen dolgozhassanak az integrált termék-viselkedés mély megértése érdekében” – mondta el Molnár László, a mérnöki szimulációkkal és szimulációs szoftverekkel, valamint ipari automatizálással foglalkozó eCon Engineering Kft. szoftverüzletág vezetője.
„Jó példa az összetettség kihívásaira egy egyszerű inzulinpumpa, melyben sok más orvostechnikai eszközhöz hasonlóan elektronikai, áramlástani és mechanikai rendszereket is integrálnak. Ezeket a fő- és alrendszereket olyan algoritmusok vezérlik, amelyek a kezelőfelületen összegyűjtött adatok alapján eljuttatják a gyógyszert a beteghez. Így a készülék teljesítményének megértéséhez és optimalizálásához „multiphysics” (összekapcsolt fizikai) szimulációkra van szükség, valamint egy olyan platformra, amely lehetővé teszi a több fizikai területen alkalmazott modellek beágyazott szoftverekkel történő integrálását” – emeli ki László az összetett szimulációkban rejlő lehetőséget.
A mérnökök és egészségügyi szakemberek olyan orvostechnikai eszközök kialakításán és fejlesztésén dolgoznak, amelyekkel a különböző betegségekben szenvedőkön segíthetnek. Egyre több kisebb, innovatív egészségügyi fejlesztő cég, startup jelenik meg a piacon. Kifejezetten nekik szól a piacvezető Ansys Startup programja; a szoftver használatával csökkenthetik a protokollok tesztelésére fordított időt, költségeket, és növelhetik termelékenységüket, bevételüket, ezzel elősegítve a folyamatos innovációt.
„Az orvostechnikai eszközök tervezése általában sokéves, hosszadalmas folyamat, mire a koncepciótól a termék eljuthat a piacra. A jóváhagyási procedúra megkezdése után már sokkal nehezebb változtatni a terveken, még akkor is, ha esetleg menet közben jobb lehetőséget találtak a mérnökök. Ezért fontos még a fejlesztés kezdeti szakasza során a lehető legtöbb lehetőség megvizsgálása” – emeli ki a mérnöki szimulációk egészségügyben való jelentőségét Kiglics Gábor, a piacvezető Ansys szoftvereit is forgalmazó eCon Engineering Kft. ügyvezetője.
Orvosi implantátumok tervezése – az anyagtulajdonságok jelentősége
A mérnöki szimulációk segítségével a különböző orvosi implantátumok tökéletesítése is jelentősen rövidebb idő alatt jöhet létre. Például egy koszorúér stent** fejlesztésekor fontos tudni, hogy a szív a pumpálás során jelentős alakváltozásokon megy keresztül. A folyadék-szerkezet kölcsönhatások pontos modellezésével a mérnökök fontos tervezési döntéseket hozhatnak a stent fejlesztése érdekében már a fejlesztési ciklus elején. Az implantátumokat úgy kell megtervezni, hogy azok a nagy terhelést is kibírják – a mindennapi tevékenységek során, mint például a séta, vagy ugrás, az emberi vázszerkezet olyan terheléseket kap, amely a tömegének 4-20-szorosát is kiteheti. Ilyen extrém terhelés lehet például a nyomás, csavarás, nyírás és húzás. A csontok kompozit mikroszerkezetüknek köszönhetően bírják ezeket az extrém terheléseket, sőt, alkalmazkodni is tudnak a környezetükhöz, a terheléshez, és tulajdonságaikat képesek idővel változtatni. Bonyolult és komplex feladat tehát hasonló tulajdonságokkal rendelkező anyagokat létrehozni egy implantátum fejlesztése során, legyen az fogászati, vázszerkezeti, érbe ültethető, vagy bármilyen egyéb típus. Ráadásul a biokompatibilitást is szem előtt kell tartani, így a tervezés még összetettebbé válik. Ebben segíthet az Ansys GRANTA termékcsalád anyag-adatbázisa, mellyel a megfelelő anyagtulajdonságok egy-egy orvostechnikai alkatrészhez ill. eszközhöz hozzárendelhetők. Az adatbázis kémiai elemektől kezdve a legkülönfélébb anyagokig és osztályozásukig minden anyagrészletet tartalmaz, segítségével az egyes anyagok tulajdonságai, illetve viselkedésük különböző behatásokra jól szimulálhatók anélkül, hogy az adott implantátumot fizikai valójában is elő kellene állítani.
A megbízható számítógépes modellezés és szimuláció segít a kutatóknak és egészségügyi szakembereknek abban, hogy megtalálják vagy fejlesszék azokat a beültethető anyagokat, amelyek szövődmények nélkül képesek együtt létezni az emberi szervezettel. Az Ansys szimulációs szoftver egyedülálló módon integrálja az áramlástani, szerkezeti, termikus és elektromágneses elemzéseket egyetlen környezetbe, ezzel betekintést nyújtva, hogy a különböző kardiovaszkuláris eszközök hogyan viselkednek az emberi testben.
A szimuláció az innováció hajtóereje – virtuális prototípuskészítés a gyógyászatban
Az orvostudomány fejlődésével az emberek várható élettartama megnövekedett, emiatt a különböző implantátumoknak, beültethető készülékeknek is hosszabb élettartammal kell rendelkezniük, de rengeteg egyéb elvárásnak is meg kell felelniük. Egyre fejlettebb és könnyebben hozzáférhető technológiákra van szükség, melyek biztonságosak és kockázatmentesek, ugyanakkor egyszerűek és kényelmesek is. Fontos a funkcionalitás, de sok eszköznél az esztétikum is, élettartamukon, pontosságukon és megbízhatóságukon kívül működési idejük és feltöltési idejük is döntő.
A virtuális prototípuskészítés, vagy a gyógyászatban virtuális humán laboratóriumként (virtual human laboratory) is ismert eljárás lehetővé teszi a tervezők számára, hogy magabiztosan megjósolják egy készülék viselkedését, amikor azt beültetik és interakcióba lép az emberi testtel. Például egy új pacemaker a fejlesztéskor beültethető a test modelljébe, a teljes testet pedig virtuálisan egy MRI-készülékbe lehet helyezni, hogy a pacemaker és az MRI interakció miatti helyi testhőmérséklet-növekedés megjósolható legyen. Az MRI ily módon történő virtuális kompatibilitás tesztelése a termékfejlesztés korai szakaszában felgyorsítja a folyamatot és növeli a termék megbízhatóságát.
A virtuális prototípus akkor is alkalmazható, ha egy vállalat nem szeretne vagy nem tud beruházni szimulációs szoftverbe, mert például a használathoz nem áll rendelkezésére elegendő szimulációs mérnök. Ez esetben a legtöbb számítási feladat projekt alapon is elvégezhető egy szimulációs feladatokra szakosodott mérnökirodánál.
Például a különböző beültethető szív- és érrendszeri eszközök – stentek, szívszelepek, pacemakerek vagy ún. balkamrai segédeszközök (LVAD)*** tervezésekor – áramlástani szimulációval (CFD – Computational Fluid Dynamics) kiválóan vizsgálható a véráramlás. Márpedig ezeknek az eszközöknek a fejlesztésekor az egyik fő kihívás éppen a hemodinamika optimalizálása: fontos, hogy képesek legyenek ellenállni a pulzáló véráramlás miatt kialakuló állandó terhelésnek, és rögzítve maradjanak a helyükön.
„Szintén áramlástani szimulációs projekt lehet egy-egy gyógyszer fejlesztésekor a túl- és alulkevert zónák azonosítása, keveredési és ülepedési idők meghatározása, az ideális injektálási pontok és reakciósebességek definiálása, hőmérséklet eloszlások, üzemi paraméterek és keverőfejek optimalizálása. Tisztaszobáknál a CFD szimuláció segít a légcsere sebesség, valamint az optimális befúvási és elszívási pontok megállapításában, inkubátorok esetében pedig a hőmérséklet- és áramlási sebesség mezők meghatározásában. De alkalmazható a szétválasztási folyamatok és technológiák, az anyagkezelés, vagy egyes kémiai reakciók során. Az áramlástani szimuláció a légutakra, a véráramlásra, illetve egyéb, a testben lejátszódó áramlási folyamatra is alkalmazható” – ecseteli a lehetőségeket Horváth Ákos, az eCon Engineering Kft. áramlástani szimulációs csapatának vezetője.
A ME3D-Graft Kft. által 2018-ban alapított pécsi egészségügyi startup, azzal a céllal hozta létre a YourAnastomosis nevű projektet, hogy innovatív megoldást nyújtson a sebészeti oktatáshoz szerte a világon. A YourAnastomosis szakértői csúcstechnológiákkal dolgoznak ki olyan, érszerkezetek elemzésére szolgáló módszereket, melyek lehetővé teszik a sebészek számára, hogy ellenőrizhessék munkájukat.
„Segítünk megoldani a szív-, ér-, plasztikai, ortopédiai műtétek és intervenciós eljárások valós problémáit. Tanfolyamainkon az érsebészek gyakorolhatják a különböző öltési technikákat. Szeretnénk bemutatni, hogy egyes varratok milyen viselkedést mutatnak élő szervezetben. A munka során nagy segítséget jelent az Ansys Fluent áramlástani szoftver, amellyel olyan áramlástani szimulációkat tudunk lefuttatni, melyek megmutatják, hogyan áramlik a vér az adott érstruktúrában. Az eCon Engineering Kft.-vel történt közös fejlesztés eredményeképpen a módszertan skálázhatóságán tudtunk jelentősen javítani, valamint olyan szoftveres háttérmegoldás is létrejött, amellyel előre tudjuk jelezni az érmodellek feltételezett gyógyulását is. Ez segít eldönteni, hogy bizonyos öltések, sebészi tevékenységek az adott páciens esetében milyen eredményt adhatnak, illetve milyen problémák merülhetnek fel rövid és hosszú távon az adott érrel, érvarrattal kapcsolatban. Továbbiakban klinikai alkalmazás felé szeretnénk nyitni, mely során képalkotó eljárások kiegészítő elemeként is használhatók lesznek az áramlási szoftver kiterjedt előnyei.” – számol be a szimuláció előnyéről Gasz Balázs szívsebész, a YourAnastomosis ügyvezetője.
Természetesen nem csak áramlástani, de elektromágneses, termodinamikai vagy mechanikai szimulációkat is alkalmazhatunk az orvostechnikai eszközök fejlesztése során.
Copyright: eCon Engineering
„Az idei évben többek között egy fogorvosi kézifúró ejtésszimulációjával is foglalkoztunk, feladatunk volt a megfelelő anyagválasztás elősegítése, az optimális geometria meghatározása, valamint munkánk hozzájárult, hogy az alkatrészek merevsége és szilárdsága megfeleljen a különböző követelményeknek” – számol be csapatának egy projektjéről Takács László, az eCon Engineering Kft. végeselemes szimulációs csoportvezetője.
A személyre szabott orvoslás egyik pillére
Minden ember különböző. Ugyanazokra a gyógyszerekre, gyógymódokra többféleképpen reagálhatunk, így sok esetben hiába van egy gyógyászati eszköz vagy eljárás az átlagemberre optimalizálva, az végül nem minden esetben bizonyul hatékonynak.
A jövőben egyre kiemeltebb szerepet kap a személyre szabott orvoslás és az in silico* tesztelés, hogy az orvosi kezelések minél jobban egyénre szabhatóak legyenek. A szimuláció az orvosok számára lehetővé teszik a kezelési tervek hatékonyságának megítélését. Mivel ezek a szimulációk lehetnek betegspecifikusak, ezért elengedhetetlenek a személyre szabott orvoslás szempontjából.
Mit jelent ez a gyakorlatban? Áramlástani szimuláció és digitális iker segítségével olyan aeroszolt lehet létrehozni, amely igazodik a páciens tüdejének geometriájához, így például egy aeroszolos tüdő-kemoterápia esetén az átlagos 20% helyett akár a gyógyszer 90% elérheti a tumorsejteket. De a szimulációk optimalizálják a műtéteket a szívelégtelenségben szenvedő csecsemők számára is. Ha például egy csecsemő egy szívkamrával születik, a prognózis súlyos, és több műtétre lesz szüksége, melyek során gyakorlatilag újrakötik a szív- és érrendszerét, hogy az egy kamrával is működhessen. Azonban a szív- és érrendszer újbóli bekötésénél a sebészeknek mindig több választási lehetőségük van, és sajnos nem mindig tudható, hogy melyik a legjobb megoldás az egyes betegek számára. A Sanghaji Gyermekgyógyászati Központ sebészei az Ansys CFD szimulációs szoftver segítségével határozzák meg az egyes betegeknél a műtétek elvégzésének optimális módját. A személyre szabott orvoslásnak ez a példája nagyobb sebészeti hatékonyságot és jobb életminőséget eredményez a gyermek számára.
Copyright: YourAnastomosis
Szabó Szilvia
***************************************
*in silico tesztelés = az élő szervezeten kívül, számítógépes szimuláció során zajló kísérlet
** stent = speciális, henger alakú fémháló, melynek érbe való beültetésével elkerülhető az érelzáródás. Hazánkban főként koszorúér szűkület kezelésére használják.
*** Az LVAD, egy akkumulátorral működtetett, mechanikus szivattyú, melyet műtéti úton ültetnek be, hogy a bal szívkamrának – mely a szív fő szivattyúkamrája – segítsen a vért a test különböző részeibe pumpálni.