基于COMSOL Multiphysics的水冷針水循環結構仿真分析

聶佳力

上海傲派醫療科技有限公司 上海 200126

1 引言

射頻消融電極針是一種微創手術中直接作用于腫瘤的電極針,近年來已普遍應用于臨床。相對于一般的射頻消融電極針,水冷針借助水循環冷卻電極周圍組織,了熱損傷區域,并具有不易結痂碳化的優點[1,2]。為了達到的冷卻效果,,。

通過對不同模型下的水冷針套管水流量的分析,可以對套管內部水循環結構進行優化或選型,或者通過流量對水循環所使用的或者其他動力源的選型提供依據。

2 模型建立

本文研究的水冷針套管內部含有PI(Polyimide聚酰亞胺管)管和熱電偶。水循環模型進水路為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管路內側或外側。如圖1,黃色區域為入水口,紅色區域為出水口。進水通道與出水通道通過Y型三通實現分流。

圖1 結構關系

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

表1 尺寸匯總

本文18G、19G的水冷針套管長度均選取7cm進行模擬,16G、17G的水冷針套管長度各選取15cm、20cm、25cm進行模擬,16G、17G模型用PI1管時,熱電偶在PI1外側,PI2對應的熱電偶在其內側。

本組參數只作為建模分析用,實際中可能有所不同,但對于分析影響水流量各因素的規律并無影響。

3 仿真模擬

在COMSOL Multiphysics軟件中選擇層流,再添加瞬態研究進入軟件的參數以及圖形操作界面,將已經創建好的Solidworks模型導入COMSOL Multiphysics,添加材料為水,幾何實體選擇所有域,添加完流體出入口后進行網格劃分,網格的粗細會影響計算結果,較粗化的網格會使計算結果偏大,但是對于討論整體規律可以控制網格粗化程度為一致,考慮到結構尺寸以及計算量本次網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象,在瞬態研究界面定義步長:起始為0,步長0.05s,停止0.3s,計算求解。得出出口位置的平均流速,根據出口截面積可進一步算出其流量。

圖2 粗化網格

對18G、19G的水冷針套管長度均選取7cm進行模擬,內表示熱電偶在PI管內部,外表示熱電偶在PI管和套管之間,分析結果如表2。

表2 短套管分析

18G和19G進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),由分析結果可以看出,出水面積翻倍造成水流量的翻倍。分析相同結構不同管徑的流量如圖3,從0.85mm到1mm水流量呈線性增長。18G外側比內側水流量翻了兩倍不止,對于18G套管來說,更適合將熱電偶放在PI外側。

圖3 套管內徑對水流量影響

17G和16G套管實際應用長度范圍廣,模擬其25cm內的各個長度不同結構的水流量情況。

16G外側PI管進水橫截面積為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16G外側20cm套

圖4 16GPI1外側20cm速度場

圖5 16GPI1外側20cm壓力場

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

通過壓力場可以看出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內側進水路橫截面積即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17G內側20cm套管長度模擬結果分析,盡管17G進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)仍然遠小于17G外側流量(32.67ml/min,見圖8),從流速場可以看出其PI管外側平均流速大于內側平均流速。

圖6 17GPI2內側20cm速度場

通過壓力場可以看出與16G外側在PI管內緩慢卸壓不同,17G內側在水流通過套管回流到130mm左右位置時才達到平均壓力0.1Mpa。

圖7 17GPI2內側20cm壓力場

根據各個模型分析結果,計算出其流量并繪制于圖表,表示四種結構下套管長度與流量的關系。

圖8 不同結構水流量情況

從17G和16G套管模擬結果可以看出,其他因素相同時,套管長度越短,水流量越大,15cm以內影響更明顯。

對于16G和17G套管,PI1方案流量整體優于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,內壁,17G使用PI1方案時,其水流量大于16GPI2方案。

4 結束語

本文建立了水冷針水循環模型,對不同模型下的水流量仿真并分析,得到各個情況的水流量大小,通過對比不同結構水冷針水流量,可以得出以下結論:

對于16G、17G套管,PI1水循環結構優于PI2水循環結構。說明水流量與整個水循環路的最小橫截面積未必相關,其不能作為判斷水流量的主要因素。

相同水循環通路,長度越長,水流量越小,在套管長度小于15cm后,水流量增加更明顯。本文結論可以為以后套管內水循環設計提供參考。