基于COMSOL Multiphysics的水冷针水循环结构仿真分析

聂佳力

上海傲派医疗科技有限公司 上海 200126

1 引言

射频消融电极针是一种微创手术中直接作用于肿瘤的电极针,近年来已普遍应用于临床。相对于一般的射频消融电极针,水冷针借助水循环冷却电极周围组织,了热损伤区域,并具有不易结痂碳化的优点[1,2]。为了达到的冷却效果,,。

通过对不同模型下的水冷针套管水流量的分析,可以对套管内部水循环结构进行优化或选型,或者通过流量对水循环所使用的或者其他动力源的选型提供依据。

2 模型建立

本文研究的水冷针套管内部含有PI(Polyimide聚酰亚胺管)管和热电偶。水循环模型进水路为PI管路,出水路为水冷针套管管路去掉PI管路剩余部分,热电偶放置于PI管路内侧或外侧。如图1,黄色区域为入水口,红色区域为出水口。进水通道与出水通道通过Y型三通实现分流。

图1 结构关系

射频消融电极针主要应用于肝脏、肺、甲状腺、乳腺肿瘤以及其他软组织的消融治疗[3],较细的水冷针因强度影响长度较短,一般更适合用于甲状腺肿瘤消融。选取19G、18G、17G和16G四种套管型号作为建模对象,内部PI管和热电偶尺寸如表1。

表1 尺寸汇总

本文18G、19G的水冷针套管长度均选取7cm进行模拟,16G、17G的水冷针套管长度各选取15cm、20cm、25cm进行模拟,16G、17G模型用PI1管时,热电偶在PI1外侧,PI2对应的热电偶在其内侧。

本组参数只作为建模分析用,实际中可能有所不同,但对于分析影响水流量各因素的规律并无影响。

3 仿真模拟

在COMSOL Multiphysics软件中选择层流,再添加瞬态研究进入软件的参数以及图形操作界面,将已经创建好的Solidworks模型导入COMSOL Multiphysics,添加材料为水,几何实体选择所有域,添加完流体出入口后进行网格划分,网格的粗细会影响计算结果,较粗化的网格会使计算结果偏大,但是对于讨论整体规律可以控制网格粗化程度为一致,考虑到结构尺寸以及计算量本次网格划分全部选择粗化(如图2)。在定义-探针-边界探针选择出口位置为研究对象,在瞬态研究界面定义步长:起始为0,步长0.05s,停止0.3s,计算求解。得出出口位置的平均流速,根据出口截面积可进一步算出其流量。

图2 粗化网格

对18G、19G的水冷针套管长度均选取7cm进行模拟,内表示热电偶在PI管内部,外表示热电偶在PI管和套管之间,分析结果如表2。

表2 短套管分析

18G和19G进水通道面积相同均为0.2mm2,不同的是出水面积通道(19G为0.24mm2,18G为0.45mm2),由分析结果可以看出,出水面积翻倍造成水流量的翻倍。分析相同结构不同管径的流量如图3,从0.85mm到1mm水流量呈线性增长。18G外侧比内侧水流量翻了两倍不止,对于18G套管来说,更适合将热电偶放在PI外侧。

图3 套管内径对水流量影响

17G和16G套管实际应用长度范围广,模拟其25cm内的各个长度不同结构的水流量情况。

16G外侧PI管进水横截面积为0.273mm2,出水通路横截面积即套管减去PI管和热电偶部分,为0.707mm2,对16G外侧20cm套

图4 16GPI1外侧20cm速度场

图5 16GPI1外侧20cm压力场

管长度模拟结果分析,出口平均流速为0.586m/s(流量39.11ml/min,见图8),从模拟结果可以看出,PI管进水管道流速较大,在PI管尾端出口处水流速度骤减。

通过压力场可以看出PI管入口处压力最大,沿着PI管慢慢递减,到针头端压力低于平均值0.1Mpa。

17G内侧进水路横截面积即PI管减去热电偶部分为0.494mm2,出水路横截面积即套管减去PI管部分为0.388mm2,对17G内侧20cm套管长度模拟结果分析,尽管17G进出水路横截面积都大于17G入口通路PI管横截面积,但其流量(12.17ml/min)仍然远小于17G外侧流量(32.67ml/min,见图8),从流速场可以看出其PI管外侧平均流速大于内侧平均流速。

图6 17GPI2内侧20cm速度场

通过压力场可以看出与16G外侧在PI管内缓慢卸压不同,17G内侧在水流通过套管回流到130mm左右位置时才达到平均压力0.1Mpa。

图7 17GPI2内侧20cm压力场

根据各个模型分析结果,计算出其流量并绘制于图表,表示四种结构下套管长度与流量的关系。

图8 不同结构水流量情况

从17G和16G套管模拟结果可以看出,其他因素相同时,套管长度越短,水流量越大,15cm以内影响更明显。

对于16G和17G套管,PI1方案流量整体优于PI2方案流量,尽管PI1通道最小面积小于PI2通道,由于PI1最小通道为圆形,内壁,17G使用PI1方案时,其水流量大于16GPI2方案。

4 结束语

本文建立了水冷针水循环模型,对不同模型下的水流量仿真并分析,得到各个情况的水流量大小,通过对比不同结构水冷针水流量,可以得出以下结论:

对于16G、17G套管,PI1水循环结构优于PI2水循环结构。说明水流量与整个水循环路的最小横截面积未必相关,其不能作为判断水流量的主要因素。

相同水循环通路,长度越长,水流量越小,在套管长度小于15cm后,水流量增加更明显。本文结论可以为以后套管内水循环设计提供参考。