磁流量计是测量血液流动的一种无创方法。然而，当病人移动时，移位的血管会影响流量计的灵敏度。ABB 企业研究部的研究人员利用多物理场仿真，研究了移动中的病人的血管位移如何影响磁流量计的性能。
测量血流的简单方法
为了以无痛和无创的方式为病人测量血流，医疗专业人员可以使用测量电动势的磁流量计。在流量计中，外部线圈产生一个磁场，非接触电极测量感应的电动势。当病人在测量过程中移动时(甚至仅仅是呼吸)，血管就会移动，从而影响流量计的灵敏度。这种现象是心脏和胸腔医学的的一个研究重点。
依靠线圈和电极的磁流量计是测量病人血管内流量的一种无创方法。
来自印度 ABB 企业研究部的研究人员使用多物理场仿真模拟了这一过程，包括流体-结构的相互作用(FSI)和电磁学的影响。他们的目的是通过比较血管移位时和正常位置时流量计的性能，了解血管运动如何影响流量计的灵敏度。
在 COMSOL Multiphysics®中模拟磁流量计
研究团队将血管模拟为一个管道，但具有适当的生物材料特性。他们通过 COMSOL Multiphysics®软件中内置的物理场接口将多种物理效应耦合起来。使用层流接口模拟通过血管的血液流动。为了考虑由线圈产生的磁场，以及由血流和磁场引起的电磁场，他们使用了磁场和电场接口。
磁性流量计模型的示意图。图片由 S. Dasgupta, K. Ravikumar, P. Nenninger和F. Gotthardt 拍摄，来自他们在2016 年 Bangalore 站 COMSOL 用户年会上的论文。
研究人员还使用 COMSOL Multiphysics 的附加产品——结构力学模块来模拟病人运动时的血管位移。他们将这一分析与 CFD 模块结合起来，用于考虑流-固耦合作用，包括血管位移如何影响血液流动以及流体压力如何影响血管。
这个模型被用来分析血管移位时和血管处于正常位置时磁流量计的敏感性。
仿真结果的比较
研究人员比较了处于正常位置的血管和向上层线圈移动 5 厘米时的结果。仿真结果显示了整个管道(即血管)截面的速度和磁通密度的等高线图，还显示了来自流动和磁场界面的感应电动势，以及管道直径上的电动势分布。
穿过管道横截面(左上)和长度(左下)的感生电动势，以及穿过管道横截面的速度(右上)和磁通密度(右下)。图片由 S.Dasgupta 等人拍摄，来自他们在 2016 年 Bangalore 站 COMSOL 用户年会上的论文。
上述仿真结果表明，在没有发生移位和发生移位的血管之间，流量计的灵敏度有所增加。研究团队确定，这种增加不是由于速度造成的，因为两种情况下的速度曲线都是一样的。相反，增加的原因是移位的血管转移到了一个较高的磁场区，而血管中的磁通密度随着它向线圈的移动而增加。
下一步
来自 ABB 的研究人员通过他们的仿真结果得出结论，血管位移是磁流量计在医疗中使用时存在的一个潜在问题。为了解决这些问题，他们提出，在检测过程中可以通过限制病人的身体运动，或者可以产生一个与呼吸同步的磁场来补偿灵敏度的变化。
虽然这些模拟结果被证明对医学领域有用，但进一步的研究可以考虑更多的真实情况，如脉动性血流以及血管特性和身体位置的变化。
这项研究证实了 COMSOL Multiphysics 可以用来分析不同的现象，包括流体流动、结构力学和电磁学如何在复杂的应用中相互作用。
拓展阅读
了解更多详细内容，请查看 2016 年 Bangalore 站 COMSOL 用户年会的完整论文(它获得了最佳论文奖)：”使用磁流量计测量大血管中的血流速度“。
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