۳۱- تضمین انطباق و عملکرد دستگاه پزشکی با شبیه‌سازی الکترومغناطیسی SIMULIA و Ensuring Medical Device Compliance and Performance with SIMULIA Electromagnetic Simulation

,

۳۱-Ensuring Medical Device Compliance and Performance with SIMULIA Electromagnetic Simulation

شبیه‌سازی الکترومغناطیسی در دستگاه‌های پزشکی: تضمین ایمنی، عملکرد و انطباق

شرکت‌های تجهیزات پزشکی تحت فشار فزاینده‌ای برای توسعه محصولات ایمن و مؤثر، در عین حال کاهش زمان و هزینه توسعه و رعایت محدودیت‌های سختگیرانه نظارتی هستند. به طور خاص، دستگاه‌های پزشکی الکترونیکی قبل از ورود به بازار ملزم به رعایت استانداردهای بین‌المللی سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) هستند. این امر برای جلوگیری از تداخل الکترومغناطیسی بین دستگاه‌ها و سیستم‌های مختلف ضروری است. آزمایش فیزیکی برای نشان دادن انطباق استفاده می‌شود، اما هم زمان‌بر و هم پرهزینه است. علاوه بر این، آزمایش انطباق مستلزم توسعه کامل سخت‌افزار و نرم‌افزار عملیاتی است. به این ترتیب، آزمایش در پایان فرآیند طراحی انجام می‌شود و شناسایی هرگونه مشکل در این مرحله پایانی بسیار پرخطر است. عدم انطباق EMC باعث ایجاد اصلاحاتی در طراحی می‌شود که می‌تواند زمان عرضه به بازار را ماه‌ها به تأخیر بیندازد.

مجموعه شبیه‌سازی الکترومغناطیسی (EM) از Dassault Systèmes SIMULIA امکان اعتبارسنجی مجازی عملکرد، ایمنی و انطباق الکترومغناطیسی دستگاه‌های پزشکی را فراهم می‌کند و نیاز به آزمایش پرهزینه محفظه را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. علاوه بر این، شامل راه‌حل‌هایی برای طراحی و قرارگیری آنتن، ارزیابی یکپارچگی سیگنال و توان و انطباق با میزان مواجهه انسان با امواج با ارائه ابزارهای مدل‌سازی محاسباتی پیشرفته و همچنین مجموعه‌ای از مدل‌های مجازی انسان است.

Medical device companies are under increasing pressure to develop safe and effective products, while also reducing development time and cost and meeting stringent regulatory constraints. In particular, electronic medical devices are required to comply with international Electromagnetic Compatibility (EMC) standards before they can enter the market. This is necessary in order to avoid electromagnetic interference between different devices and systems. Physical testing is used to demonstrate compliance, but is both time consuming and expensive. Furthermore, compliance testing requires the hardware and operating software to be fully developed. As such, the testing is performed at the end of the design process and identification of any issues at this late stage is extremely risky. It is not uncommon for EMC noncompliance to cause design modifications that can delay time to market by many months.

The electromagnetics (EM) simulation suite from Dassault Systèmes SIMULIA enables the virtual validation of medical device electromagnetic performance, safety, and compliance, significantly reducing the need for costly chamber testing. Furthermore, it includes solutions for antenna design and placement, signal and power integrity assessment, and human exposure compliance by providing state-of-the-art computational modeling tools as well as a population of virtual human models.

شبیه‌سازی الکترومغناطیسی در دستگاه‌های پزشکی: تضمین ایمنی، عملکرد و انطباق

در دنیای پرشتاب فناوری و پزشکی، دستگاه‌های پزشکی از ابزارهای مکانیکی ساده به سیستم‌های الکترونیکی هوشمند و پیچیده تبدیل شده‌اند. این تحول، در کنار نوآوری‌های بی‌نظیر، چالش‌های جدیدی را در زمینه طراحی، توسعه و تضمین ایمنی و عملکرد آن‌ها به وجود آورده است. در این میان، شبیه‌سازی الکترومغناطیسی (EM) به عنوان یک ابزار حیاتی، نقش کلیدی در کاهش زمان و هزینه توسعه، افزایش ایمنی بیمار و حصول اطمینان از انطباق با مقررات جهانی ایفا می‌کند.

بخوانید  27- دینامیک خطی در Abaqus: راهنمای جامع برای تحلیل مودال و ارتعاشات Richard in Eigenland, Linear Dynamics in a Nutshell

چالش‌های کلیدی در توسعه دستگاه‌های پزشکی مدرن

مشتریان در صنعت دستگاه‌های پزشکی همواره با فشار فزاینده‌ای برای کاهش زمان و هزینه توسعه مواجه هستند. این در حالی است که نیاز به بهبود مداوم عملکرد و ایمنی دستگاه‌ها، به‌ویژه با افزایش پیچیدگی الکترونیکی و قابلیت‌های ارتباطی، در بالاترین حد خود قرار دارد. علاوه بر این، انطباق با مقررات سخت‌گیرانه نهادهای نظارتی در سراسر جهان و همچنین اطمینان از تجربه مثبت برای پزشک و بیمار (مانند سهولت استفاده و راحتی) از اهمیت بالایی برخوردار است. دستگاه‌های پزشکی کاشتنی فعال، مانند دستگاه‌های تنظیم ضربان قلب، نمونه‌های بارزی از این پیچیدگی‌ها هستند که در صورت بروز مشکل، می‌توانند عواقب جبران‌ناپذیری داشته باشند.

چرا شبیه‌سازی؟ مزایای آزمایش مجازی در برابر آزمایش فیزیکی

باور اصلی در توسعه محصول مدرن این است که “دنیاهای مجازی می‌توانند دنیای واقعی را گسترش داده و بهبود بخشند.” این اصل به طور خاص در مورد دستگاه‌های پزشکی صادق است. شبیه‌سازی مزایای بی‌شماری نسبت به آزمایش فیزیکی ارائه می‌دهد:

  • کاهش هزینه و زمان: برخلاف ساخت نمونه‌های اولیه فیزیکی پرهزینه و زمان‌بر، آزمایش‌های مجازی بسیار ارزان‌تر و سریع‌تر انجام می‌شوند.
  • انعطاف‌پذیری در طراحی اولیه: تغییرات در طراحی بر اساس نتایج آزمایش در مراحل اولیه فرآیند مجازی، بسیار ارزان‌تر و آسان‌تر است.
  • تجزیه و تحلیل عمیق: آزمایش فیزیکی تنها “چه اتفاقی افتاده است” را نشان می‌دهد، در حالی که شبیه‌سازی با ارائه معیارهای کمی و بازخورد بصری، “چرا” یک نتیجه خاص رخ داده است را توضیح می‌دهد، که برای ریشه‌یابی مشکلات حیاتی است.
  • اعتبارسنجی پدیده‌های نامرئی: شبیه‌سازی امکان اعتبارسنجی محصولاتی را فراهم می‌کند که آزمایش آن‌ها در دنیای واقعی غیرممکن یا دشوار است، مانند دستگاه‌های درون بدن انسان یا پدیده‌های فیزیکی نامرئی (مثل امواج الکترومغناطیسی).
  • بهینه‌سازی طراحی: شبیه‌سازی به مهندسان اجازه می‌دهد تا در بازه زمانی محدود، به یک طراحی بهینه دست یابند.

کاربردهای شبیه‌سازی الکترومغناطیسی در دستگاه‌های پزشکی

شبیه‌سازی EM در طیف وسیعی از کاربردها در صنعت پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد:

  • دستگاه‌های هوشمند و متصل: از سمعک‌های ساده تا دستگاه‌های پیچیده‌تر دارورسانی پوشیدنی، شبیه‌سازی به طراحی و اعتبارسنجی دستگاه‌های هوشمند و متصل کمک می‌کند.
  • تضمین ایمنی ایمپلنت‌ها: بررسی ایمنی ایمپلنت‌های غیرفعال (مانند ارتوپدی) و فعال (مانند دستگاه‌های تنظیم ضربان قلب) در معرض میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی.
  • طراحی تجهیزات تصویربرداری پزشکی: کمک به طراحی دستگاه‌هایی مانند اسکنرهای MRI یا مایکروویو.
  • کاربردهای درمانی: استفاده از الکترومغناطیس به شیوه‌های درمانی، مانند تخریب تومورها با مایکروویو یا پروتون درمانی برای سرطان.
بخوانید  19-شعبده‌بازان روی تک‌چرخ‌ها - Abaqus/Explicit به طور خلاصه و Jugglers on Unicycles Abaqus Explicit in a Nutshell

تمرکز اصلی در دستگاه‌های پزشکی هوشمند، بر قابلیت اطمینان بالا است؛ زیرا عملکرد این دستگاه‌ها مستقیماً با سلامت و زندگی بیماران مرتبط است.

مجموعه الکترومغناطیسی Simulia: CST Studio Suite و Opera

سیمولیا (Simulia)، برند پیشرو داسو سیستمز (Dassault Systèmes)، ابزارهای قدرتمندی برای شبیه‌سازی الکترومغناطیسی ارائه می‌دهد که در پلتفرم 3DEXPERIENCE نیز به خوبی یکپارچه شده‌اند. این ابزارها شامل CST Studio Suite (شناخته شده برای شبیه‌سازی فرکانس بالا) و Opera (برای شبیه‌سازی موتور و آهنربای فرکانس پایین مانند MRI) هستند.

ویژگی‌های برجسته ابزارهای EM سیمولیا:

  • طیف گسترده فرکانس و اندازه: قابلیت پوشش دستگاه‌های بسیار کوچک (مانند تراشه‌ها) تا آنتن‌های بزرگ.
  • فناوری‌های حل‌کننده متنوع: دسترسی به تقریباً ۲۰ حل‌کننده مختلف که برای کاربردهای گوناگون بهینه شده‌اند.
  • مدل‌سازی و تحلیل قدرتمند: توانایی استخراج نتایج دقیق و ارائه بازخورد بصری برای درک عمیق رفتار EM.
  • محاسبات با کارایی بالا (HPC): پشتیبانی از محاسبات ابری، MPI (محاسبات توزیع‌شده) و پردازنده‌های گرافیکی چندرشته‌ای برای تسریع زمان حل.
  • یکپارچگی با پلتفرم 3DEXPERIENCE: دسترسی مستقیم به داده‌های CAD و PLM، امکان اجرای شبیه‌سازی و مشاهده نتایج از طریق وب.

مدیریت انطباق با EMC از طریق شبیه‌سازی

یکی از چالش‌های اصلی در طراحی دستگاه‌های پزشکی، اطمینان از سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) آن‌هاست. EMC به این معنی است که محصول نه تنها باید در برابر میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی مقاوم باشد (مصونیت/پذیرفتاری)، بلکه نباید بیش از حد تابش کند و باعث تداخل با سایر دستگاه‌ها شود (گسیل).

گسیل تابشی (Radiated Emissions)

شبیه‌سازی به تولیدکنندگان امکان می‌دهد تا میزان انتشار ناخواسته از دستگاه را بررسی کنند. به جای آزمایش‌های فیزیکی زمان‌بر و پرهزینه که ممکن است به شکست منجر شوند، می‌توان با قرار دادن پروب‌های اندازه‌گیری مجازی در اطراف مدل و چرخش مجازی دستگاه، اطمینان حاصل کرد که میزان انتشار تابشی در تمام جهات کمتر از سطح مجاز است. این رویکرد به شناسایی سریع منبع انتشار و اجرای راه‌حل‌هایی مانند اضافه کردن چوک در کابل‌ها، پیش از ساخت نمونه اولیه، کمک می‌کند.

مصونیت/پذیرفتاری تابشی (Radiated Immunity/Susceptibility)

دستگاه‌های پزشکی باید حتی در معرض میدان‌های الکترومغناطیسی قوی خارجی نیز به طور قابل اعتماد کار کنند (مثلاً هنگام عبور از کنار ترانسفورماتورها یا دستگاه‌های امنیتی). شبیه‌سازی می‌تواند با اعمال منابع میدان آماری (مانند امواج صفحه‌ای که از همه جهات به ساختار برخورد می‌کنند) و قرار دادن پروب‌های مجازی در داخل دستگاه، میزان نفوذ سیگنال‌های ناخواسته را بررسی کند. این امر به مهندسان کمک می‌کند تا اثربخشی محافظ‌گذاری (shielding) را ارزیابی کرده و از عملکرد صحیح قطعات الکترونیکی اطمینان حاصل کنند.

تخلیه الکترواستاتیکی (ESD)

ESD یک پدیده رایج است که می‌تواند به قطعات الکترونیکی آسیب برساند. شبیه‌سازی EM می‌تواند اثرات پالس‌های ولتاژ قوی ناشی از تخلیه الکترواستاتیکی (چه تخلیه هوایی و چه تماسی) را تحلیل کرده و به طراحی مدارهایی کمک کند که در برابر این وقایع مقاوم باشند.

بخوانید  13-ویرایش فایل ورودی Abaqus با پایتون و inpR و Abaqus Input File Editing with Python and inpR

رویکرد “انتقال به چپ” و نمونه‌سازی مجازی

صنعت دستگاه‌های پزشکی به دلیل نیازهای بالای قابلیت اطمینان، غالباً محافظه‌کار است و این می‌تواند منجر به زمان طولانی‌تر عرضه محصول به بازار شود. رویکرد “انتقال به چپ” (Shift Left) با تمرکز بر نمونه‌سازی مجازی، این فرآیند را تسریع می‌کند. به جای طراحی، ساخت نمونه اولیه، آزمایش فیزیکی و سپس شروع مجدد در صورت شکست، می‌توان در دنیای مجازی:

  1. طراحی: یک مدل دیجیتال ایجاد کرد.
  2. آزمایش مجازی: پارامترهای مختلف را به سرعت آزمایش و بهینه کرد.
  3. اعتبارسنجی مجازی: انطباق با استانداردها را پیش از تولید فیزیکی تأیید کرد.

این فرآیند تکرار شونده در ساعات یا روزها انجام می‌شود، نه هفته‌ها یا ماه‌ها، و به طراحان اجازه می‌دهد تا “از همان ابتدا درست عمل کنند” و نیاز به نمونه‌های اولیه متعدد را کاهش دهند.

مطالعه موردی: دستگاه دارورسانی پوشیدنی YAZOO

دستگاه دارورسانی پوشیدنی YAZOO، یک دستگاه تزریق دارو با فناوری پیشرفته است که به صورت بی‌سیم با یک شبکه خارجی ارتباط برقرار می‌کند. این دستگاه نمونه‌ای عالی از چالش‌های EM در دستگاه‌های پزشکی هوشمند است. شبیه‌سازی در اینجا به:

  • طراحی آنتن: با استفاده از کتابخانه‌های آنتن مانند “آنتن مارگوس”، می‌توان آنتن‌هایی با اندازه و فرکانس مورد نیاز (مانند وای‌فای) را به سرعت انتخاب و در مدل ادغام کرد.
  • بررسی EMC: ارزیابی گسیل تابشی از موتورهای پله‌ای و کابل‌کشی، و تعیین حساسیت دستگاه به میدان‌های خارجی.

این مطالعه موردی نشان می‌دهد که چگونه می‌توان با استفاده از شبیه‌سازی، طراحی آنتن را بهینه کرد و از انطباق با استانداردهای EMC (مانند IEC 6061-1-2) اطمینان حاصل نمود، حتی پیش از ساخت اولین نمونه اولیه فیزیکی.

نتیجه‌گیری

شبیه‌سازی الکترومغناطیسی دیگر یک مزیت اختیاری نیست، بلکه یک ضرورت در توسعه دستگاه‌های پزشکی هوشمند مدرن است. با بهره‌گیری از ابزارهای پیشرفته‌ای مانند مجموعه Simulia CST Studio Suite و پلتفرم 3DEXPERIENCE، مهندسان می‌توانند چالش‌های مرتبط با ایمنی، عملکرد، زمان و هزینه را به طور موثرتری مدیریت کنند. این رویکرد نه تنها منجر به کاهش خطر عوارض جانبی، فراخوان محصول و آسیب به بیمار می‌شود، بلکه فرآیند توسعه محصول را تسریع کرده و تضمین می‌کند که دستگاه‌های پزشکی ایمن‌تر، قابل اعتمادتر و کارآمدتری به دست مصرف‌کنندگان می‌رسند.


متا دیسکریپشن: کشف کنید که چگونه شبیه‌سازی الکترومغناطیسی به طراحی، ایمنی و انطباق دستگاه‌های پزشکی هوشمند کمک می‌کند. از کاهش ریسک تا تسریع توسعه با راه‌حل‌های پیشرفته Simulia.

کلمات کلیدی برای سئو: شبیه‌سازی الکترومغناطیسی، دستگاه‌های پزشکی، EMC، EM شبیه‌سازی، Simulia، CST Studio Suite، 3DEXPERIENCE، ایمنی بیمار، انطباق با مقررات، نمونه‌سازی مجازی، EMAC، طراحی آنتن، تخلیه الکترواستاتیکی، گسیل تابشی، مصونیت تابشی، مهندسی پزشکی.

سلام