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医療機器向けのデジタルシステムプロトタイピング
静止流体要素を用いた非線形座屈解析
公開日2020年7月
コンピュータによるモデリングは物理的なテストに代わる手法として認められていますが、これまでは設計分野間のコラボレーションが最小限に留まる「サイロ」的な環境で使用されてきました。今日の製品開発チームのニーズに応えるため、Ansysはマルチドメインのデジタルシステムプロトタイピング プラットフォームを開発しました。これにより、多様な経験及び背景知識を持つ専門チームが共同で作業を進めて、統合された製品の挙動を深く理解できるようになりました。このホワイトペーパーでは、 Ansysのこのプラットフォームを活用して、装着型インスリンポンプのデジタルシステムプロトタイプを開発する事例についてまとめています。
目次
- はじめに
- 糖尿病とは
- 糖尿病の管理
- 装着型インスリンポンプの概要
- ポンプ設計の考慮事項
- ドラッグデリバリー
- ねじれテスト
- 耐久性
- アンテナの設計および配置
- 無線干渉
- 電磁駆動
- 電力管理
- 組込みソフトウェア
- 規制の考慮事項
- 結論
Ansysプラットフォーム上でデジタル的にシミュレートされたインスリンポンプ
装着型インスリンポンプは、処方量のインスリンを患者に供給するための流体経路を提供するカテーテルと針/ カニューレで構成される「輸液セット」、ドラッグデリバリー経路の閉塞検出を支援する「検知システム」、周辺の監視機器やヘルスケア事業者と情報を交換する「無線通信システム」、ポンプのさまざまな動作を制御するとともに、患者にとって使いやすいインターフェースを提供する「組込みソフトウェア」で構成されます。そのため、組込みソフトウェアとマルチドメインモデル（電子、流体、および機械）の統合を可能にするプラットフォームとともに、単一、複数、およびマルチフィジックスモデルのシミュレーションが必要です。
ドラッグデリバリー
カートリッジから放出されたインスリン溶液は輸液セット（カテーテル、さらにカニューレ）を通って、皮膚の皮下（脂肪）層に至ります。Ansys Fluent のようなCFDツールは、輸液セット内の履歴情報に基づいて、薬物の流速や圧力、薬剤懸濁液によって生じるせん断力を予測します。左の図はカニューレを通過して皮膚に至るインスリン溶液の速度、右の図は皮下（sub-q）腔における薬物の分散を示しています。
アンテナの設計および配置
アンテナの性能は、人体との相互作用に加えて、ポンプのハウジング内に搭載された他のコンポーネントとの位置関係によっても大きく左右されます。Ansys HFSSは、コンポーネント単体の場合と動作環境に組み込まれた場合の両方について、アンテナの性能をモデル化します。左の図はインスリンポンプ内/周辺の電磁（EM：Electromagnetic）場の伝播を示しており、PCB 基板、ディスプレイ、ハウジングなど、ポンプの各コンポーネントに起因する減衰を示しています。また、右の図のようにAnsys の人体模型モデルを使用して、人体と伝播電磁場の相互作用を予測できます。
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