一氧化氮治疗仪混合气体均匀性的有限元分析.pdf

第 卷 第 期 年 月北京生物医学工程 基金项目：宁波市重点研发计划（）资助作者单位：宁波大学机械工程与力学学院（浙江宁波）宁波戴维医疗器械股份有限公司（渐江宁波）通信作者：胡燕海，教授。：一氧化氮治疗仪混合气体均匀性的有限元分析刘庆利 陈再宏胡燕海 吴海啸 刘广清摘 要 目的 通过计算流体动力学（，）方法研究一氧化氮治疗仪中气体混合装置内压、预设的 输出浓度以及输入气体流速对混合气体均匀性的影响，从而为一氧化氮治疗仪的使用安全性评估提供参考价值。方法 首先通过分析一氧化氮治疗仪的工作原理、工作参数和气体混合装置结构设置 组不同参数的算例，然后对气体混合装置模型进行网格划分、网格无关性验证、数值计算方法的选择以及控制方程的介绍，最后引出气体混合均匀度量化方法并利用 软件对各组算例进行有限元仿真。结果 根据 软件导出各组算例的气体浓度分布云图，通过气体混合均匀度量化公式计算出的第 组算例所对应的气体混合均匀度依次为 、。结论 在一氧化氮治疗仪中气体混合装置内压和预设的 输出浓度对混合气体均匀性的影响较为微弱，而输入气体流速对一氧化氮治疗仪混合气体均匀性影响较为显著。该研究可为一氧化氮治疗仪的安全使用提供技术性参考。关键词 计算流体动力学；一氧化氮治疗仪；混合均匀度；有限元仿真；：中图分类号 文献标志码 文章编号（）本文著录格式 刘庆利，陈再宏，胡燕海，等 一氧化氮治疗仪混合气体均匀性的有限元分析北京生物医学工程，（）：，（）：，；，：（：）【】，（），【】；引言一氧化氮吸入疗法（，）是近年来兴起的一种新型医用技术疗法，微量的一氧化氮（）气体不仅可以舒张血管、参与人体正常功能调节，还可以改善肺部细胞对氧气的结合与运输。目前，一氧化氮吸入疗法广泛应用于婴儿持续性肺动脉高压、呼吸衰竭综合征、慢性阻塞性肺病等心肺疾病的治疗，并且其有效性和安全性得到了国内外专家的高度认可。随着 在心肺疾病方面的治疗作用愈加明显，一氧化氮治疗仪的安全性得到了广泛关注。目前一氧化氮治疗仪的使用方式是将呼吸机输送系统接入一氧化氮治疗仪输送系统中，使得二者所输送的气体在一氧化氮治疗仪的气体混合装置（简称气体混合装置）内混合并输出给患者吸入治疗。混合气体的均匀程度对患者的生命安全具有重要影响。若混合气体的均匀程度过低，将会导致患者在某段时间内吸入的 气体浓度过高而产生肺部组织损伤，存在严重的安全隐患。因此一氧化氮治疗仪混合气体均匀性备受人们的广泛关注。在一氧化氮治疗仪设备中，气体混合装置是 气体与呼吸机气体进行混合的主要场所，也是保证混合气体均匀输出的重要设备。随着计算机的不断发展，数值模拟技术越来越多地应用在气体混合模拟方面，例如 等模拟了一氧化氮在人体鼻窦模型中的混合与通气过程，并提出利用气体体积分数变异系数对混合效果进行量化。孙珵琭等将一氧化氮治疗仪的混合装置简化二维平面图形，并模拟输入空氧混合气与一氧化氮得出了 气体混合均匀的质量分数分布云图。等模拟了一氧化氮治疗仪与呼吸机成比例地输入混合装置时气体的混合情况，得出了混合装置出口处的气体分布云图并优化了混合装置结构。以上研究仅采用云图的形式表现一氧化氮混合气体分布状况，虽然可以直观地观察到气体浓度数值差异，但均未采用定量的形式判断混合气体均匀性程度。经一氧化氮治疗仪临床使用发现，气体混合装置内压、预设的 输出浓度、标准气体和呼吸机气体的输入流速等参数均对混合气体的均匀性具有不同程度的影响。本文通过设置不同参数的算例，并利用计算流体动力学软件 对一氧化氮治疗仪的气体混合装置进行仿真模拟，最后通过气体混合装置出口截面的浓度云图并计算出气体混合均匀度，来对比分析气体混合装置内压、预设的 输出浓度、标准气体和呼吸机气体输入流速分别对混合气体均匀性的影响。本研究可为一氧化氮治疗仪的输出气体安全性评估提供技术参考。一氧化氮吸入式治疗 设备构造及工作原理图 为一氧化氮治疗仪输送系统示意图，主要由 标准气体钢瓶、减压阀、气体输送管道、滤清器、呼吸机气体输送管道、气体混合装置、取样气管以及呼吸面罩组成。设备开始工作时，钢瓶中具有一定压力的 标准气体将通过气体输送管道传输至气体混合装置，并在气体混合装置内与来自呼吸机的空氧混合气进行混合。混合后，小部分气体通过取样气管送回检测装置进行气体浓度采样，而大部分气体则输送至呼吸面罩，最终实现将 治疗气提供给患者治疗的目的。混合装置模型图 为气体混合装置结构图，气体混合装置的整体结构为底部直径为 、高为 的圆柱形，顶部由直径为 的 气体入口、直径为 的呼吸机气体入口以及直径为 的混合气体出口所构成。北京生物医学工程 第 卷图 一氧化氮治疗仪输送系统示意图 图 气体混合装置结构 算例与方法 算例方案设置根据预设的 输出浓度、标气浓度以及呼吸机流量大小可以计算出 标气输入流量：标（）式中：为 标气输入流量，；预设的 输出浓度，（常温常压下，）；为呼吸机流量，；标为钢瓶中的 标气浓度，。同时，引入标准状态下与非标准状态下的气体流量计算公式。（）式中：为标准状态下的气体流速，；为标准状态下的气体体积流量，；为管道的横截面积，。（）（）（）（）式中：为非标准状态下的气体流速，；为绝对温度，取 ；为气体在横截面积处的实际温度，；为气体横截面积处的压力，；为管道横截面积，。在进行算例参数设置时，本文采用的一氧化氮治疗仪为持续性供气类型，配合使用的呼吸机为间歇性供气类型。配套使用的标准 气体钢瓶浓度为 ，钢瓶减压阀表压为 ，呼吸机流量为 （初始为 ）可调、吸呼比为 。依据式（），带入预设的 输出浓度、呼吸机初始流量以及 标气浓度计算出 标气输入流量，换算单位后带入式（）求出需要输入的 气体流速。同样地，根据呼吸机流量范围并结合式（）求出呼吸机气体输入流速，得到算例方案，如表 所示。第 期 刘庆利，等：一氧化氮治疗仪混合气体均匀性的有限元分析表 算例方案 算例气体混合装置内压 预设的 输出浓度 标气输入流速（）呼吸机气体输入流速（）网格划分及无关性验证 网格是由层状多面体网格、纯多面体网格以及六面体网格组成的混合网格。相比于传统的四面体网格和六面体网格，网格具有网格质量高、计算速度快的优势。因此本文采用高级网格划分工具 对气体混合装置模型进行 网格划分，气体入口、出口均采用网格加密方式。网格数量对数值计算的精度和效率至关重要。网格数量过少会导致计算结果精确度较低，计算结果与实际情况偏离较大；网格数量过多则会导致计算效率低下。本文选择表 中的算例，设置了 种不同数量的网格，分别为 、个，并设置气体混合装置模型出口的 浓度加权平均值作为监控对象。当参与计算的网格数量超过 时，气体混合装置出口的 浓度加权平均值趋于稳定值，因此选取网格数量 作为本次研究的网格划分方案。边界条件边界条件包括进出口边界条件、壁面边界条件以及内部表面边界条件。气体入口与空氧混合气入口均采用速度入口边界条件，各组算例的速度大小如表 所示。气体混合装置出口采用压力出口边界条件，压力大小选择标准大气压。气体混合装置内表面以及进出口内表面均采用无滑移边界条件。数值方法与控制方程本研究采用压力耦合方程组的半隐式数值方法（，）。根据计算流体力学理论，流体流动的控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。质量守恒方程：（）（）式中：为混合气体的密度，；为时间，；为速度矢量，。动量守恒方程：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为作用在气体上压力，；、分别为、方向的速度，；、为广义源项；为梯度。能量守恒方程：（）（）（）式中：为混合气体的比热容；为当前混合装置内的温度，；为混合气体的传热系数；为黏性耗散项；为梯度。气体混合均匀度量化标准气体混合均匀度是气体混合装置输出气体是否均匀的主要量化标准。本文采用气体浓度样本的变异系数（）来对混合气体的均匀性进行量化。（）（）式中：为取样点处 气体的体积分数；表示所有取样点处 体积分数的平均值；为取样点的个数，的值越大则计算结果越准确。气体的混合均匀度（）定义如下：（）式中：为气体的混合均匀度，数值越大则代表气体混合均匀程度越高。计算结果及分析 气体混合装置内压对混合气体均匀度的影响以算例、算例 以及算例 为研究对象，研究北京生物医学工程 第 卷气体混合装置内压对混合气体均匀度的影响。根据医用湿化器工作压力使用准则，医用湿化器正常工作时的工作压力为 ，最大工作压力为 ，因此本文设置算例 中最大工作压力为 。气体混合装置出口截面的 气体浓度分布以及混合均匀度 分别以云图和百分比的形式给出，计算结果如图 所示。算例 中输出混合气体的 浓度范围为 ，混合均匀度为；算例 中输出混合气体的 浓度范围为 ，混合均匀度为；算例 中输出混合气体的 浓度范围为 ，混合均匀度为 。根据计算结果可知，当气体混合装置内压逐步提高时，输出的混合气体中 气体浓度呈现出大致相同分布状况，同时 浓度范围会有小幅度变窄，根据混合均匀度公式计算，混合均匀度也会小幅度提升。预设的 输出浓度对混合气体均匀度的影响以算例、算例、算例 为对象研究预设的 输入浓度对混合气体均匀度的影响。根据 气体临床使用指南，用于临床使用的 气体浓度使用上限为 持续吸入 或 连续吸入，一般情况下不允许超过 ，因此在算例、算例、算例 中的 上限浓度为 。图 给出了一氧化氮治疗仪在不同预设 输出浓度下气体混合装置出口截面的 浓度分布云图和混合气体均匀度。根据图 中 气体浓度分布云图可以看出，算例 预设的 输出浓度为 时，出 口 截 面 的 浓 度 范 围 为 ；算例 预设的 输出浓度为 时，出口截面的浓度范围为 ；算例 预设的 输出浓度为 时，出口截面的浓度范围为 。算例、对应的混合均匀度分别为 、。由上述 浓度范围和混合气体均匀度的数值变化可以得出，随着预设的 输出浓度的增加，的浓度范围也在逐渐变小，混合气体均匀度随之逐步提升，但提升幅度仍旧不大。因此预设的 输出浓度对混合气体的均匀性影响微弱。输入气体流速对混合均匀度的影响在研究输入气体流速对输出混合气体中 混合均匀度的影响时，本文以算例、算例、算例 为研究对象。在此三组算例中，一氧化氮治疗仪气体混合装置的压力均为正常工作时的压力 ，预设的 输出浓度均为 ，标气和呼吸机气体的输入流速见表。图 给出了相同气体混合装置内压、相同预设的 输出浓度、不同输入气体流速的混合气体浓度云图以及对应的混合均匀度。算例 中混合气体图 不同气体混合装置内压下混合气体均匀度的变化 第 期 刘庆利，等：一氧化氮治疗仪混合气体均匀性的有限元分析图 不同预设 输出浓度下混合气体均匀度变化 中的 气体浓度范围为 ，对应的混合均匀度为；算例 对应的输出气体中 气体浓度范围为 ，对应的混合均匀度为；算例 对应的输出气体中 气体浓度范围为 ，对应的混合均匀度为 。由以上计算结果可以看出，气体的浓度云图在浓度范围数值和分布上均存在较大差异，对应的混合均匀度在数值上也相差较大。由以上数据可知，随着输入气体流速的增大，气体浓度云图的分层现象逐渐变弱，气体的混合均匀度明显提升。后续经资料查阅，这主要是由于输入气体流速的增大导致湍流变得强烈，提高了混合均匀度。讨论与结论本文通过计算流体动力学方法对一氧化氮治疗仪中气体混合装置进行了多组算例的数值模拟，得到了在不同因素影响下出口截面的 气体浓度云图和对应的混合均匀度。（）一氧化氮治疗仪与呼吸机气体输入稳定时，随着气体混合装置内压的增加，输出治疗的混合气体的均匀度会随之提高，但提升幅度微小，因此气体混合装置内压对混合气体均匀度的影响甚微。（）气体混合装置内压为标准状态下的 时，随着预设的 输出浓度的持续增加，对应的气体混合均匀度也呈非线性的趋势逐步增加，但增加幅度仍旧很小，因此预设的 输出浓度对混合气体均匀度的影响同样较小。（）气体混合装置内压为标准值、预设的 输出浓度为 时，随着输入气体流速的增加，混合气体均匀度呈现出较大程度的提升，因此输入气体流速对混合气体均匀性的影响较大。北京生物医学工程 第 卷图 不同输入气体流速下混合气体均匀度变化 医用一氧化氮治疗仪的混合气体均匀性仍需进一步优化，这是患者能够得到安全治疗的重要保证，比如输送系统可以采用导流性能更好的气体混合装置来实现，还可以进一步优化气体输送管道。同时，随着计算机技术和 软件的不断发展，一氧化氮混合气体的仿真模拟计算也将更加精确。总的来说，一氧化氮治疗仪的安全性还具有广阔的提升空间。本文的有限元分析成果可为一氧化氮治疗仪的安全使用及安全性评估提供技术参考。参考文献 ，（）：，（）：邵建平 通过 途径促进 修复 诱导的肺损伤青岛：青岛大学，：，张璐，卞士柱 改良后呼吸康复操对肺动脉高压患者生活质量的影响 中华肺部疾病杂志（电子版），（）：，（），（）：，（）：李倩 医用便携式一氧化氮发生器关键技术研究 北京：北京协和医学院，：，（）：杨锦利 呼吸机一氧化氮吸入治疗低氧性呼吸衰竭患儿的临床疗效及对氧合状态的影响 中国妇幼保健，（）：，（）：林涛，刘寒春 医用便携式一氧化氮（）发生机的设计与性能研究 机电信息，（）：，（），（）：，（）：孙珵琭，胡兆燕，陈正龙，等 一氧化氮治疗仪及其应用进展 北京生物医学工程，（）：，第 期 刘庆利，等：一氧化氮治疗仪混合气体均匀性的有限元分析 ，（）：，（）：李剑，夏春，汪圣甲，等 动态稀释法配制痕量一氧化氮气体标准物质的研究 化学试剂，（）：，（）：苏彦勋，梁国伟，盛健 流量计量与测试 北京：中国计量出版社，任燕，曾朝阳，宋奇志 塞来昔布联合右美托咪定超前镇痛对全膝关节置换术后疼痛的影响 黑龙江医学，（）：，（）：郑玮琳，李晓东，李洁，等 旋流器流量分配对燃气轮机燃烧性能的影响研究 热能动力工程，（）：，（）：殷名宁，葛荣雨 真空抽吸用离心风机叶片优化研究及气动分析 山东工业技术，（）：，（）：姚婵，郑源 基于 的水轮发电机组推力轴承油槽油雾特性分析 水电能源科学，（）：，（）：，种叶龙，杨茉 流道内错列倒置柔性体运动及强化传热分析 暖通空调，（）：，（）：，王福军 计算流体动力学分析 软件原理与运用北京：清华大学出版社，申明星 气气快速混合过程的 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