基于COMSOL Multiphysics的水冷針?biāo)h(huán)結(jié)構(gòu)仿真分析

聶佳力

上海傲派醫(yī)療科技有限公司 上海 200126

1 引言

射頻消融電極針是一種微創(chuàng)手術(shù)中直接作用于腫瘤的電極針,近年來(lái)已普遍應(yīng)用于臨床。相對(duì)于一般的射頻消融電極針,水冷針借助水循環(huán)冷卻電極周圍組織,了熱損傷區(qū)域,并具有不易結(jié)痂碳化的優(yōu)點(diǎn)[1,2]。為了達(dá)到的冷卻效果,,。

通過(guò)對(duì)不同模型下的水冷針套管水流量的分析,可以對(duì)套管內(nèi)部水循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化或選型,或者通過(guò)流量對(duì)水循環(huán)所使用的或者其他動(dòng)力源的選型提供依據(jù)。

2 模型建立

本文研究的水冷針套管內(nèi)部含有PI(Polyimide聚酰亞胺管)管和熱電偶。水循環(huán)模型進(jìn)水路為PI管路,出水路為水冷針套管管路去掉PI管路剩余部分,熱電偶放置于PI管路內(nèi)側(cè)或外側(cè)。如圖1,黃色區(qū)域?yàn)槿胨?紅色區(qū)域?yàn)槌鏊?。進(jìn)水通道與出水通道通過(guò)Y型三通實(shí)現(xiàn)分流。

圖1 結(jié)構(gòu)關(guān)系

射頻消融電極針主要應(yīng)用于肝臟、肺、甲狀腺、乳腺腫瘤以及其他軟組織的消融治療[3],較細(xì)的水冷針因強(qiáng)度影響長(zhǎng)度較短,一般更適合用于甲狀腺腫瘤消融。選取19G、18G、17G和16G四種套管型號(hào)作為建模對(duì)象,內(nèi)部PI管和熱電偶尺寸如表1。

表1 尺寸匯總

本文18G、19G的水冷針套管長(zhǎng)度均選取7cm進(jìn)行模擬,16G、17G的水冷針套管長(zhǎng)度各選取15cm、20cm、25cm進(jìn)行模擬,16G、17G模型用PI1管時(shí),熱電偶在PI1外側(cè),PI2對(duì)應(yīng)的熱電偶在其內(nèi)側(cè)。

本組參數(shù)只作為建模分析用,實(shí)際中可能有所不同,但對(duì)于分析影響水流量各因素的規(guī)律并無(wú)影響。

3 仿真模擬

在COMSOL Multiphysics軟件中選擇層流,再添加瞬態(tài)研究進(jìn)入軟件的參數(shù)以及圖形操作界面,將已經(jīng)創(chuàng)建好的Solidworks模型導(dǎo)入COMSOL Multiphysics,添加材料為水,幾何實(shí)體選擇所有域,添加完流體出入口后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格的粗細(xì)會(huì)影響計(jì)算結(jié)果,較粗化的網(wǎng)格會(huì)使計(jì)算結(jié)果偏大,但是對(duì)于討論整體規(guī)律可以控制網(wǎng)格粗化程度為一致,考慮到結(jié)構(gòu)尺寸以及計(jì)算量本次網(wǎng)格劃分全部選擇粗化(如圖2)。在定義-探針-邊界探針選擇出口位置為研究對(duì)象,在瞬態(tài)研究界面定義步長(zhǎng):起始為0,步長(zhǎng)0.05s,停止0.3s,計(jì)算求解。得出出口位置的平均流速,根據(jù)出口截面積可進(jìn)一步算出其流量。

圖2 粗化網(wǎng)格

對(duì)18G、19G的水冷針套管長(zhǎng)度均選取7cm進(jìn)行模擬,內(nèi)表示熱電偶在PI管內(nèi)部,外表示熱電偶在PI管和套管之間,分析結(jié)果如表2。

表2 短套管分析

18G和19G進(jìn)水通道面積相同均為0.2mm2,不同的是出水面積通道(19G為0.24mm2,18G為0.45mm2),由分析結(jié)果可以看出,出水面積翻倍造成水流量的翻倍。分析相同結(jié)構(gòu)不同管徑的流量如圖3,從0.85mm到1mm水流量呈線性增長(zhǎng)。18G外側(cè)比內(nèi)側(cè)水流量翻了兩倍不止,對(duì)于18G套管來(lái)說(shuō),更適合將熱電偶放在PI外側(cè)。

圖3 套管內(nèi)徑對(duì)水流量影響

17G和16G套管實(shí)際應(yīng)用長(zhǎng)度范圍廣,模擬其25cm內(nèi)的各個(gè)長(zhǎng)度不同結(jié)構(gòu)的水流量情況。

16G外側(cè)PI管進(jìn)水橫截面積為0.273mm2,出水通路橫截面積即套管減去PI管和熱電偶部分,為0.707mm2,對(duì)16G外側(cè)20cm套

圖4 16GPI1外側(cè)20cm速度場(chǎng)

圖5 16GPI1外側(cè)20cm壓力場(chǎng)

管長(zhǎng)度模擬結(jié)果分析,出口平均流速為0.586m/s(流量39.11ml/min,見(jiàn)圖8),從模擬結(jié)果可以看出,PI管進(jìn)水管道流速較大,在PI管尾端出口處水流速度驟減。

通過(guò)壓力場(chǎng)可以看出PI管入口處壓力最大,沿著PI管慢慢遞減,到針頭端壓力低于平均值0.1Mpa。

17G內(nèi)側(cè)進(jìn)水路橫截面積即PI管減去熱電偶部分為0.494mm2,出水路橫截面積即套管減去PI管部分為0.388mm2,對(duì)17G內(nèi)側(cè)20cm套管長(zhǎng)度模擬結(jié)果分析,盡管17G進(jìn)出水路橫截面積都大于17G入口通路PI管橫截面積,但其流量(12.17ml/min)仍然遠(yuǎn)小于17G外側(cè)流量(32.67ml/min,見(jiàn)圖8),從流速場(chǎng)可以看出其PI管外側(cè)平均流速大于內(nèi)側(cè)平均流速。

圖6 17GPI2內(nèi)側(cè)20cm速度場(chǎng)

通過(guò)壓力場(chǎng)可以看出與16G外側(cè)在PI管內(nèi)緩慢卸壓不同,17G內(nèi)側(cè)在水流通過(guò)套管回流到130mm左右位置時(shí)才達(dá)到平均壓力0.1Mpa。

圖7 17GPI2內(nèi)側(cè)20cm壓力場(chǎng)

根據(jù)各個(gè)模型分析結(jié)果,計(jì)算出其流量并繪制于圖表,表示四種結(jié)構(gòu)下套管長(zhǎng)度與流量的關(guān)系。

圖8 不同結(jié)構(gòu)水流量情況

從17G和16G套管模擬結(jié)果可以看出,其他因素相同時(shí),套管長(zhǎng)度越短,水流量越大,15cm以內(nèi)影響更明顯。

對(duì)于16G和17G套管,PI1方案流量整體優(yōu)于PI2方案流量,盡管PI1通道最小面積小于PI2通道,由于PI1最小通道為圓形,內(nèi)壁,17G使用PI1方案時(shí),其水流量大于16GPI2方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了水冷針?biāo)h(huán)模型,對(duì)不同模型下的水流量仿真并分析,得到各個(gè)情況的水流量大小,通過(guò)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)水冷針?biāo)髁?可以得出以下結(jié)論:

對(duì)于16G、17G套管,PI1水循環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)于PI2水循環(huán)結(jié)構(gòu)。說(shuō)明水流量與整個(gè)水循環(huán)路的最小橫截面積未必相關(guān),其不能作為判斷水流量的主要因素。

相同水循環(huán)通路,長(zhǎng)度越長(zhǎng),水流量越小,在套管長(zhǎng)度小于15cm后,水流量增加更明顯。本文結(jié)論可以為以后套管內(nèi)水循環(huán)設(shè)計(jì)提供參考。