Simulação FSI de bomba peristáltica para diálise mais segura
- Alvaro Filho
- 17 de jun.
- 6 min de leitura
"Hardware é difícil", diz um ditado no Vale do Silício. Pode-se acrescentar: hardware que salva vidas é ainda mais difícil. Apesar de toda a grande tecnologia médica inventada pela humanidade, até hoje o rim é o único órgão que se conseguiu substituir permanentemente por uma máquina. E embora a hemodiálise já seja um grande sucesso e um salva-vidas, cada sessão dura até quatro horas, três vezes por semana, durante muitos anos, representando um fardo significativo para a vida e a segurança dos pacientes.
Dito isso, foi explorado o uso dos novos recursos de modelagem estrutural, acessíveis através do Simcenter STAR-CCM+, para ajudar a aprimorar o projeto de bombas de sangue, tornando as máquinas de diálise mais seguras e os tratamentos menos estressantes para cada paciente. A seguir, apresenta-se como alguns dos recursos do Simcenter STAR-CCM+, juntamente com seus recursos de simulação de interação fluido-estrutura (FSI), os melhores da categoria, contribuíram para atingir esse objetivo.
Aperfeiçoando a hemodiálise
Aproximadamente 3 milhões de pessoas em todo o mundo recebem tratamento de hemodiálise, resultando em cerca de 1,3 milhão de sessões por dia. Embora geralmente considerado um procedimento seguro, o mau funcionamento ou o manuseio inadequado das máquinas de diálise podem causar danos graves aos pacientes, representando um risco constante e duradouro para sua saúde.
Muitas lesões ou complicações estão relacionadas ao fluxo sanguíneo incorreto, onde muito ou pouco sangue é extraído do paciente, tornando o tratamento ineficaz ou causando dor ou até mesmo desmaio durante o tratamento.
A taxa de fluxo sanguíneo é adaptada especificamente às necessidades de cada paciente, considerando fatores como peso, tamanho, pressão e viscosidade sanguíneas, além da saúde geral.
A circulação sanguínea do paciente para o dialisador é gerenciada por uma bomba de roletes, um tipo de bomba peristáltica que utiliza roletes para comprimir e liberar um tubo flexível para mover o sangue através do tubo. A vazão sanguínea gerada pela bomba varia de acordo com o material, o comprimento e o tamanho do tubo, bem como com a qualidade e o tipo do acesso vascular. A oclusão adequada, garantindo que o tubo seja totalmente comprimido pelos roletes, também é essencial para mover o volume correto de sangue sem deslizamentos. É crucial considerar todos esses fatores no processo de projeto da bomba, validando-a em uma ampla gama de cenários para garantir o fluxo de massa sanguínea ideal e a segurança para cada paciente.
Máquina de diálise. Fonte: NAGWA
Do ponto de vista técnico, uma configuração de simulação com acoplamento fluido-estrutura é considerada a ferramenta ideal para gerenciar essa mistura complexa de fatores mecânicos, físicos e específicos do paciente e para garantir que o projeto funcione bem em qualquer situação.
Simulação de FSI com bomba peristáltica para diálise mais segura
Capturar a interação fluido-estrutura (FSI) com modelagem precisa de contato é fundamental para simulações robustas e precisas. Ao modelar com precisão a complexidade do sistema, as simulações de FSI podem ajudar a projetar bombas de sangue seguras e eficazes.
Os desafios da simulação FSI de bombas peristálticas
A simulação de bombas peristálticas, incluindo os domínios fluido e sólido em uma única configuração, oferece vantagens significativas. Essa abordagem integrada facilita não apenas a visualização de como as mudanças na espessura do tubo afetam a deformação no tubo, mas também como essas mudanças, por sua vez, influenciam a pressão arterial e o fluxo de massa.
No entanto, simular bombas peristálticas é mais complexo do que parece. A significativa interação fluido-estrutura (FSI) significa que a deformação da tubulação impacta o fluxo do fluido e vice-versa. Isso requer um acoplamento bidirecional preciso entre dinâmica de fluidos e mecânica estrutural. A tubulação flexível apresenta comportamento não linear devido a grandes deformações e contato.
O movimento peristáltico envolve contornos em movimento contínuo à medida que os rolos comprimem e liberam a tubulação. Capturar com precisão esses contornos em movimento em simulações é desafiador e requer técnicas avançadas de evolução de malha e métodos de estabilização dinâmica. A ação de bombeamento depende dos rolos comprimindo o tubo contra o revestimento, tornando crucial a modelagem precisa do contato entre o rolo, o revestimento e o tubo flexível. A modelagem incorreta do contato pode levar a previsões imprecisas das seções transversais do tubo, das pressões da bomba e das vazões.
Felizmente, o Simcenter fornece todas as ferramentas necessárias para realizar simulações FSI bidirecionais de alta fidelidade e prever o comportamento de bombas peristálticas em diversos cenários. E com a tecnologia mecânica incorporada em versões mais recentes Simcenter STAR-CCM+, a modelagem de contato se tornou mais fácil e precisa, mesmo para as aplicações mais complexas.
Evolução da malha por meio de transformação de malha e remeshing dinâmico
Dificuldades de modelagem de contato
A modelagem de contato é essencial na mecânica estrutural, mas não existe um algoritmo que resolva com eficiência todos os tipos de problemas de contato. A solução ideal depende do tipo de contato e da precisão e robustez necessárias.
O solver estrutural utiliza o Método de Penalidade para a aplicação do contato. Este método depende fortemente de um parâmetro de penalidade definido pelo usuário, que controla a rigidez do contato, ou a pressão gerada pela penetração do contato. Embora um parâmetro de penalidade alto possa gerar uma resolução de contato precisa, ele também diminui a robustez e a velocidade da simulação.
Selecionar um parâmetro de penalidade ideal é particularmente difícil para problemas dinâmicos com mudanças significativas de contato, como nesta simulação de bomba peristáltica. As interações entre o sangue, o tubo flexível e os rolos, que entram e saem repetidamente de contato, levam a mudanças dinâmicas nas forças de contato e na pressão do fluido. Um parâmetro de penalidade estático causará penetração variável entre o tubo e o rotor, afetando a seção transversal do fluido e a vazão. Essa variabilidade resulta em previsões imprecisas da vazão mássica de saída da bomba e representa um desafio para a simulação direta de FSI de bomba peristáltica.
A imagem abaixo mostra como diferentes parâmetros de penalidade causam variações na penetração, alterando a oclusão do tubo flexível. O gráfico abaixo mostra os fluxos de massa de saída resultantes das variações na oclusão e dá uma ideia da importância da modelagem correta do contato para a simulação correta de uma bomba peristáltica.
Seção transversal de tubo comprimido para diferentes parâmetros de penalidade
Fluxos de massa de saída resultantes de diferentes parâmetros de penalidade
Modelagem avançada de contato com o algoritmo Uzawa
Para abordar as limitações do Método da Penalidade, o solver estrutural agora introduz uma nova abordagem de modelagem de contato que combina os benefícios do Método da Penalidade e do método do Multiplicador de Lagrange, muito exato, mas computacionalmente custoso. Essa abordagem se baseia na solução iterativa do Método de Lagrange Aumentado (ALM) usando o algoritmo de Uzawa.
O ALM inclui um loop de aumento adicional em cada iteração, atualizando a pressão de contato até que a precisão da restrição de contato especificada seja alcançada. Embora a velocidade de convergência de cada aumento ainda dependa do parâmetro de penalidade escolhido, a precisão da restrição de contato final não depende, facilitando o controle preciso da penetração de contato permitida pelos usuários.
Diferenças entre os fluxos de massa de saída e penetração de contato entre o método Penalty e o método Uzawa
Com o algoritmo Uzawa, a penetração de contato pode ser limitada a um valor específico, garantindo a precisão desejada. A figura acima demonstra como esse método mantém efetivamente a penetração de contato abaixo dos níveis alcançados com um alto valor de penalidade, melhorando ainda mais a precisão das previsões de fluxo de massa. Essa abordagem elimina a necessidade de ajustes finos extensivos do parâmetro de penalidade e, ao mesmo tempo, reduz o tempo de simulação em 6%, economizando tempo e recursos computacionais.
Além da hemodiálise
Com os novos métodos avançados de modelagem de contato no solver estrutural, juntamente com os melhores recursos de simulação de interação fluido-estrutura do Simcenter STAR-CCM+, projetar bombas peristálticas confiáveis e eficientes nunca foi tão possível.
Pode-se afirmar que essas simulações ajudarão a garantir que todos os aspectos do desempenho de uma bomba sejam otimizados, resultando em tratamentos mais seguros e eficazes para os pacientes. Além da hemodiálise, as bombas peristálticas desempenham um papel crucial em diversas outras aplicações, do processamento químico à fabricação de alimentos e bebidas, onde o manuseio preciso de fluidos é essencial.
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