Gesundheitswesen: Innovation bei medizinischen Geräten durch Ansys-Simulation

In Anbetracht der aktuellen Zeiten wissen wir, dass das Patientenwohl derzeit auf dem Spiel steht. Alle Produktentwicklungsprozesse sind rigoros, zeitaufwändig und ressourcenintensiv, aber dies gilt insbesondere für die Gesundheitsbranche, da Zeit hier Leben bedeutet. Disruptive Innovation ist ein ewiges Problem, wenn es um medizinische Geräte geht, und im Gesundheitswesen ist ein Produktversagen keine Option, da es schwerwiegende Folgen haben kann. Hier kommt die Ingenieursimulation ins Spiel.

Die Anwendung der technischen Simulation während der gesamten Entwicklung medizinischer Geräte ist der bestmögliche Weg, um Fehler zu reduzieren und Zeit und Kosten zu sparen. Klinische Tests können aufgrund ihres begrenzten Umfangs nicht jede mögliche Situation abdecken, daher setzen Medizingeräteunternehmen heute auf technische Simulationen basierende In-Silico-Tests, um verschiedene Szenarien zu erkennen und zu lösen, die die Produktion und das Design von Medizinprodukten behindern. Dies ist der beste Weg, Patienten neuere Behandlungen zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig Sicherheitsstandards sowie Produktfristen einzuhalten. Um Leben zu retten und die Vorschriften einzuhalten sowie die Zuverlässigkeit in Bezug auf das Design zu verwalten, ist Simulation der einzige Weg!

Es ist kein neuer Trend, technische Simulationen zur Entwicklung von Geräten für das Gesundheitswesen zu verwenden. In Anbetracht der Tatsache, dass sie Zeit und Kosten erheblich reduzieren kann, wird die Simulation heute tatsächlich genutzt, um die Produktleistung während des behördlichen Genehmigungsverfahrens zu demonstrieren. Durch das Entwickeln und Testen von Patientenlösungen in einem virtuellen Designraum können Gesundheitsunternehmen Produkte viel schneller in die Markteinführungsphase bringen und mit einem höheren Maß an Zuversicht, dass sie in der realen Welt wie erwartet funktionieren.

Beispielsweise hat ASME mit der USFDA und Medizingeräteunternehmen zusammengearbeitet, um die Validierungs- und Verifizierungsrichtlinien 40 (V&V40) zu erstellen, die sich mit der „Bewertung der Glaubwürdigkeit der Computermodellierung durch Verifizierung und Validierung“ für medizinische Geräte befassen. Durch die Erstellung von 3D-Modellen von Produkten und dem menschlichen Körper in einer virtuellen Designumgebung können Entwickler von Gesundheitsprodukten die Leistung testen und verifizieren, indem sie Simulationen und digitale Erkundungen verwenden, um schnell und einfach Änderungen vorzunehmen. Die Simulation ist jeden Tag viel schneller, kostengünstiger und weniger invasiv als der Bau und das Testen physischer Prototypen.

Medizinische Geräte und innovative Wearables mit Simulation

Bis vor kurzem war es notwendig, den Arzt aufzusuchen, um Daten vom Gerät eines Patienten zur Überprüfung herunterzuladen. Mit der 5G-Technologie gewinnt das medizinische Internet der Dinge an Bekanntheit und wird zum neuen Standard. Es wird definitiv die Konnektivität und Übertragung von Gesundheitsdaten vom Patienten zum Arzt sowohl durchgängig als auch im Notfall sofort erweitern.

Das medizinische IoT wird zu einer P4-Medizin führen, die partizipativ, personalisiert, prädiktiv und präventiv ist.

Unternehmen verwenden auch technische Simulation und vernetzte Patientenmodellierung, um Systeme zu entwickeln, die eine hohe Zuverlässigkeit gewährleisten, Datenschutz gewährleisten und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften beschleunigen. Um einen echten Einfluss auf das Gesundheitswesen zu haben, sollten vernetzte medizinische Geräte in der Lage sein, relevante und zuverlässige Parameter zu erfassen und zu interpretieren, ohne die Sicherheit und den Komfort der Patienten zu beeinträchtigen, und den Ärzten Erkenntnisse mit vollständiger Integrität, Lesbarkeit und Sicherheit liefern. Die Multiphysics-Simulationen von Ansys werden in verschiedenen Phasen des Designs dieser Geräte verwendet.

Tragfähig

Bild: Carnegie Mellon University

Die Verwendung tragbarer drahtloser Geräte hat in den letzten Jahren aufgrund aktueller und potenzieller Anwendungen im Gesundheitswesen zugenommen. Die Verwendung eines drahtlosen Geräts in Körpernähe bringt zahlreiche Designherausforderungen mit sich.

Die Größe, das Gewicht und der Stromverbrauch des Geräts müssen begrenzt werden, damit es für Menschen geeignet ist, es zu tragen. Auch darf die Energieabgabe des Gerätes keinerlei Gesundheitsgefährdung hervorrufen. Gleichzeitig muss das Gerät so ausgelegt sein, dass es an der richtigen Stelle ein Signal mit ausreichender Leistung liefert, und das bei gutem Empfang durch das Zielgerät. Dies trotz der Tatsache, dass der menschliche Körper einen erheblichen Teil dieses Signals absorbieren kann. Wie schaffen wir es, ein Gerät unter Berücksichtigung dieser und weiterer Parameter zu entwerfen? Nun, all dies kann simuliert werden, indem hochfrequente elektromagnetische Simulationen in Ansys HFSS durchgeführt werden.

Ein Beispiel für die Erfolgsgeschichten von Ansys ist: Eine komplette Multiphysics-Lösung wurde für eine tragbare Insulinpumpe entwickelt, die verwendet wird, um Insulin in der richtigen Menge basierend auf dem Bedarf des Patienten zu verabreichen. Neben der individuellen physikalischen Modellierung wurde auch ein Systemmodell entwickelt, das den Produktteams hilft zu verstehen, wie sich Komponenten und Steuerungen verhalten, wenn sie zu einem vollständig integrierten System zusammengebaut werden.

Die Ansys-Simulationssoftware kann auch auf einzigartige Weise Flüssigkeits-, Struktur-, Wärme- und elektromagnetische Analysen in eine einzige Umgebung integrieren und Einblicke in das Verhalten von Herz-Kreislauf-Geräten im menschlichen Körper geben.

Die Konstruktionssimulation steht auch im Mittelpunkt des globalisierten Produktentwicklungsansatzes. Die flexible, integrierte Simulationsumgebung bietet eine gemeinsame Kommunikationsplattform zur Unterstützung der Initiative. Die Simulation kann mehrere Szenarien nachahmen, wie von den örtlichen behördlichen Genehmigungen gefordert; Patientenvariablen können in silico getestet werden, und virtuelle menschliche Labordaten können angepasst werden, um eine lokale Bevölkerung darzustellen. Das Ergebnis ist eine erschwingliche medizinische Behandlung durch reduzierte Herstellungs-/Betriebskosten.

Ansys Multiphysics-Lösungen können verwendet werden, um früh in der Designphase verschiedene physikbasierte und systembezogene Einblicke in ein medizinisches Gerät zu gewinnen. Dies hilft Ingenieuren, sowohl die Kosten als auch den Aufwand für das Prototyping sowie für physische Tests zu reduzieren. Durch die Bereitstellung der Möglichkeit, parametrische Studien über den gesamten Design of Experiment-Raum durchzuführen und das Design zu optimieren, ist die Simulation die perfekte Lösung.

Daher können dank Simulation sichere, genaue, langlebige und erschwingliche Wearables und medizinische Geräte mit geringeren Kosten und einer kürzeren Markteinführungszeit entwickelt werden.

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