Auf globaler Ebene ist die Schweiz im Bereich der Medizintechnik führend. Sie verfügt über ein dichtes F&E-Netzwerk, das von renommierten Universitäten, hochspezialisierten KMU, historischem Know-how in der Mikromechanik und mächtigen internationalen Konzernen unterstützt wird.
Simulation im Dienste von Medizinprodukten und Medtech
Medizinprodukte nehmen in der Medizin und in der Patientenbetreuung einen immer größeren Stellenwert ein. Ihre rasche Entwicklung unterstützt die Herausforderungen der ambulanten Medizin, der alternden Bevölkerung, der Behandlung chronischer Krankheiten und einer gewissen Demokratisierung des Zugangs zur Gesundheitsversorgung.
Es besteht ein ständiger Abwägungsprozess zwischen der Kostenübernahme, Fragen des Nutzen-Risiko-Verhältnisses, der Verbreitung von Innovationen und dem Wunsch, die Vorbeugung zu verbessern, anstatt alles zu kurieren.
Von Pflastern über bildgebende Verfahren, implantierbare Geräte bis hin zu revolutionären Technologien wie dem „künstlichen Herz“, vernetzten Objekten und medizinischer Robotik – Medizinprodukte nehmen eine neue Dimension an. Die Akteure müssen die Entwicklung neuer Produkte in Übereinstimmung mit den regulatorischen Standards beschleunigen und den Nachweis ihres Nutzens erbringen. Dafür ist es entscheidend, sichere, hochwertige Produkte zu entwickeln, die die Interaktion mit dem Patienten berücksichtigen und insbesondere auf Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Ermüdung achten. Laboratorien und medizinische Unternehmen müssen die Entwicklung neuer Produkte in Übereinstimmung mit den regulatorischen Standards beschleunigen und den Nachweis ihres Nutzens erbringen.
Die numerische Simulation ist ein wertvolles Werkzeug bei der Entwicklung von medizinischen Geräten und biotechnologischen Produkten. Sie ermöglicht :
– komplexe Probleme lösen
– Designs optimieren, die Qualität und Sicherheit von Produkten verbessern, regulatorische Risiken minimieren
– die Kosten senken
– die Entwicklung und Markteinführung neuer Produkte zu beschleunigen
Die Teams von DAES tragen durch numerische Simulation und Datenanalyse zur Entwicklung von Medtech-Produkten bei.
Wir begleiten Sie, indem wir die Simulation und die Validierung neuer Entwicklungsmethoden in den Kern Ihres Produktdesigns integrieren.
Egal, ob es um die regulatorischen Unterlagen und die dazugehörige Dokumentation oder um die Leistungsoptimierung Ihres Produkts geht, unsere Teams übernehmen die Simulation und beteiligen sich an den Arbeitsgruppen für das Design und die Spezifikation des Systems. Digitale Modelle, echte virtuelle Labore, ermöglichen eine intrinsische Sicht auf die Leistung des Produkts!
Muskel-Skelett-Modell
Mithilfe der Muskel-Skelett-Modellierung können die Muskelkräfte, die für eine bestimmte Bewegung erforderlich sind, neu berechnet werden. In der Medizintechnik ermöglicht diese Art der Modellierung beispielsweise die Vorhersage von Kräften, die beim Gehen oder Laufen auf Implantate einwirken, was im Labor nur sehr schwer zu messen ist. Die Designs dieser Implantate können dann verfeinert werden, um realistischen Belastungsfällen standzuhalten.
Schrittmuster
Das Design von Laufschuhen hat sich in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt, und die numerische Simulation ermöglicht es, die Auswirkungen neuer Materialien oder geometrischer Veränderungen auf die Leistung vorherzusagen. Dazu müssen numerische Modelle erstellt werden, deren Ergebnisse mit dem Empfinden der Athleten vor Ort korrelieren; Die Modellierung des Muskel- und Skelettsystems ist auch ein großer Vorteil, um die Leistungssteigerung besser zu verstehen, indem die mit den verschiedenen Produkten verbundenen metabolischen Kosten geschätzt werden.
Stent
SMAs (Formgedächtnismaterialien) vom Typ Nitinol sorgen dafür, dass die Stents gut funktionieren. Da sie insbesondere Druckschwankungen unterliegen, können mithilfe der numerischen Simulation sowohl die Materialien als auch die vorhandenen Belastungen berücksichtigt werden. So kann die Leistung dieser Komponenten in allen möglichen Konfigurationen untersucht werden. Die erforderliche nichtlineare Strukturberechnung kann auch mit einer CFD-Analyse unter Berücksichtigung des Blutflusses verknüpft werden.
Prothese
Die Entwicklung von Prothesen ist mit zahlreichen Problemen konfrontiert: Die Prothese darf unter statischen Belastungen nicht brechen, muss aber während ihres Lebenszyklus auch Stößen und „zufälligen“ Belastungen standhalten, außerdem muss sie verschleißfest und dauerhaft funktionsfähig bleiben. Alle diese Effekte können durch numerische Simulationen untersucht werden, entweder durch eine implizite oder explizite Methode. So kann die numerische Simulation in alle Phasen des Designs integriert werden, sei es zur Überprüfung der Einhaltung von Normanforderungen oder zu speziellen Themen wie Verschleiß oder Stoßfestigkeit.
Blutausfluss
CFD-Berechnungen von Blutströmungen können helfen, die lokalen Bedingungen abzuschätzen und die Belastungen, die auf Komponenten wie Stents angewendet werden müssen, besser zu berücksichtigen. Durch eine gekoppelte Struktur-Fluid-Berechnung (FSI) können die Auswirkungen des mit der Strömung verbundenen Druckfelds auf die Verschiebungen des betrachteten Festkörpers (Venenwand, medizinische Komponente) wirken und umgekehrt.
Medizinische Geräte
Die Verwendung digitaler Analysen ist nicht auf Komponenten im Körperinneren beschränkt. Zahlreiche medizinische Geräte (Spritzen, Rollstühle, Brillen, …) können mit diesen Methoden untersucht werden und die Robustheit und/oder Leistungsfähigkeit dieser Geräte sicherstellen.
Herstellungsverfahren
Die digitale Simulation wird sogar auf die Werkzeuge angewendet, mit denen diese medizinischen Elemente hergestellt werden. Beispielsweise kann der Transport von Tabletten durch Förderbänder mithilfe von DEM-Methoden modelliert werden, wodurch die Herstellungskette optimiert werden kann.
In der Recherchephase
Entwicklung mathematischer Modelle und numerischer Methoden, die auch die Korrelation mit gemessenen Daten ermöglichen, mathematische und technische Analysen numerischer Modelle, Entwicklung und Validierung von Methoden des wissenschaftlichen Rechnens.
In der Entwurfsphase
Unsere Teams arbeiten eng mit den Produktverantwortlichen zusammen, um PoCs zu erstellen, zukünftige Nutzungsbedingungen zu antizipieren und zu simulieren, die Auswirkungen einer Designentwicklung zu bewerten (Widerstand, Komfort, topologische Optimierung, Ermüdung, Verschleiß…).
Biotech ist ein sich ständig weiterentwickelnder Bereich, in dem regelmäßig neue Entdeckungen und Technologien auftauchen. Sie spielt eine wichtige Rolle in der medizinischen Forschung und in der Pharmaindustrie sowie in der nachhaltigen Lebensmittelproduktion und im Umweltschutz.
Die Teams von DAES tragen mit einem äußerst präzisen Produktdesignprozess dazu bei, dass innovative Biotechnologien auf den Markt kommen.
Die Beherrschung der komplexen Produktionsprozesse in der Biotech erfordert die besten technischen Mittel: Die numerische Simulation ist natürlich die Antwort. So ist es möglich, in einem Produktionssystem für den richtigen Sauerstoffgehalt, die richtige Temperatur oder die richtige Wärmezufuhr zu sorgen. Diese Beherrschung der körperlichen Parameter und der richtigen Bedingungen ist für das Erreichen der Ziele von entscheidender Bedeutung.
Mischbehälter mit Flüssigkeitseinspritzung
Ein Mischer muss dafür sorgen, dass die Flüssigkeiten gleichmäßig verteilt sind. Durch eine CFD-Berechnung kann diese Homogenität nach einer „unendlichen“ Zeit der Propellerdrehung (stationäre Berechnung) oder nach einigen Sekunden (transiente Berechnung) geschätzt werden. So kann sowohl die räumliche als auch die zeitliche Leistung des Mischers validiert werden.
Mischbehälter mit Gaseinspritzung
Im Falle von Gasinjektionen oder in Fällen, in denen Phasenänderungen (Kavitation) während der Propellerrotation auftreten, kann eine Mehrphasenberechnung der Mischung durchgeführt werden. Je nach der betrachteten Physik und den Einspritzbedingungen können die Blasengrößen und ihre Verteilung untersucht werden, um die Leistung des Mischers zu verbessern.
Optimierung des Propellers eines Mischers
Durch eine CFD-Berechnung kann die Leistung des Propellers und damit des Mischers untersucht werden. So kann eine Optimierung stattfinden, bei der auch die strukturellen Bedingungen durch uni- oder bidirektionale Kopplung berücksichtigt werden.
Thermische Untersuchung in einem Reaktor
Thermische Untersuchungen von Reaktoren können eingeführt werden, um die Verluste abzuschätzen und so die Notwendigkeit einer Wärmedämmung des Reaktors zu beurteilen und gegebenenfalls die erforderlichen Dämmstärken abzuschätzen. Je nach beteiligter Physik können diese thermischen Studien in eine CFD-Berechnung (CHT) einbezogen werden, um die entstandenen Konvektionszellen zu berücksichtigen.
Versorgungssysteme
Diese Systeme können durch transiente numerische 1D-Simulationen untersucht werden, die es ermöglichen, ihr Verhalten in allen Fällen zu überprüfen, sei es beim Starten und Stoppen des Systems, aber auch unter Zwischenfall- oder Unfallbedingungen.