גלוקומטר לבדיקת רמות גלוקוז בדם לחולי סכרת פותח בעזרת קומסול מולטיפיזיקס

בדיקה עצמית של רמות גלוקוז בדם היא חיונית לחולי סכרת, אשר באופן קבוע ברחבי העולם מבצעים את הרוטינה של הנחת טיפת דם על סטיק מפלסטיק, והכנסתו לתוך מכשיר שמודד את רמת הגלוקוז, ומכונה גלוקומטר. המכשיר אמנם קטן וצנוע, אך הוא למעשה חיישן מתוכנן היטב. הוא חייב לעמוד במטרות הדיוק של הבדיקה החשובה, להיות קל לשימוש ולייצור, בעלות נמוכה, ולעמוד בסטנדרטים מחמירים של רגולציה רפואית.

חברת LifeScan סקוטלנד בע”מ מקבוצת ג’ונסון&ג’ונסון מתכננת ומייצרת ערכות בדיקת גלוקוז בדם לשוק הגלובאלי, ונחשבת למרכז העולמי למצוינות עבור אלו שעובדים בתחום הסכרת. במשך שלוש שנים חוקרי LifeScan סקוטלנד השתמשו בתוכנת קומסול מולטיפיזיקס על מנת לאפיין תרשימים של חיישנים ביולוגיים חדשים וקיימים.

בעבר, חוקרים ב LifeScan הסתמכו על שיטות אנליטיות בעיצוב המוצר. הם פתרו משוואות דיפרנציאליות חלקיות ע”י פישוט הנחות גיאומטריות, ראגנטים (חומרים המשמשים לריאקציה כימית), ותנאי גבול. מאוחר יותר המודלים התרחבו וכללו זנים כימיים מרובים, אינטראקציות כימיות ואלקטרוכימיה מלאה

למרות שגישה זו של החוקרים הניבה פתרונות שמיצו את רוב המשתנים, זה לא האופטימום במוצרים שחייבים להיות ברמה הכי גבוהה של פיתוח, כיוון שהנחת הנחות מופשטות מתעלמת מאינטראקציות כימיות מפורטות קריטיות.

“מטרתנו היא לפתח סטיקים לבדיקה שיניבו תוצאות במהירות יותר גבוהה, לצמצם עלויות ייצור, ולהגביר את הדיוק כדי לעמוד בדרישות הרגולציה העתידיות”, אומר סטפן מקניטוש, מדען בכיר ב LifeScan סקוטלנד. “גיאומטריות מורכבות ומוחלטות נדרשות על מנת לתאר מערכות כאלה, ובמקרים הנ”ל, מודלים מספריים שימושיים יותר ממבנים אנליטיים”.
המשוואות מתגלות עם הזמן כמורכבות מאוד, ופועלים בהם משתנים רבים של תגובות כימיות שיש לקחת בחשבון בתהליכי הסימולציה. הפיזיקה מסובכת ולרוב משלבת כוחות רבים שיש לבדוק בסימולציה יעילה, וישנן דיפוזיות חומרים (פעפוע: פיזור של חומר במורד מפל ריכוזים) שחייבים להתחשב בהן. האתגר הוא שמקדמי הפיזור משתנים בדרכים עדינות ומורכבות בהתאם למאפיינים הספציפיים של כל דגימת דם.

לכן החוקרים חייבים להתחשב בגורמים כגון ריכוז המוצר, היחסים האופייניים של תגובות אנזימיות סובסטרטיות, צפיפות, ריכוז זנים מחומצנים, וטמפרטורה. דבר כזה הוא בלתי אפשרי לביצוע מדויק, בשיטות האנליטיות הקלאסיות.

תוכנת קומסול מולטיפיזיקס עזרה למקינטוש לפתח מודלים חזקים מאוד לעבודה, ע”י מספר מודולים שהרחיבו את יכולותיה של חברת LifeScan. המודולים בהם משתמשים מקינטוש וצוות הסימולציה והמידול לעיתים קרובות הינם: “מעבר חום” על מנת ללמוד את תפרוסת הטמפרטורה, ו “בטריות&תאי דלק” על מנת לסייע בפיתוח של ריאקציות אלקטרוכימיות מפורטות. מודולים אלה מוצמדים בקלות ליכולות אחרות שיש לקומסול מולטיפיזיקס: “תעבורת זנים מדוללים” על מנת ללמוד על פיזור חומרים המוני, ו”ממשקים PDE”, כדי לחקור תנאי גבול מוגדרי לקוח.
בשל הצלחת העבודה, השימוש בקומסול מולטיפיזיקס מתרחב למעבדת אינברנס, ואדם קרגס, מהנדס אלגוריתם בכיר, מוביל את בניית תשתיות טכנולוגיות המידע הנדרשות. מקינטוש מציין כי קומסול מולטיפיזיקס עזרה באופטימיזציית עלויות נמוכות של מכשיר, מבחינה כימית וגיאומטרית. תפוקות כמו הקורלציה בין ריכוז החומר שאת תכונותיו מודדים במעבדה, לבין הסימן הנוכחי, בפרקי זמן שונים ובמתווים חלופיים, יחד עם שיפועי ריכוז מפורטים אותם התוכנה הפיקה, הגבירו את ההבנה של תכונות האותות וההשפעה של שינויי עיצוב.
מקינטוש מציין כי תוצאות הסימולציה בקומסול מולטיפיזיקס הן בהתאמה טובה מאוד לעבודות הניסוי בהן נעשה שימוש באבי טיפוס ובמערכות קיימות.

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL

בוחרים את התבנית המתאימה לאנטנות החמקן בעזרת ®COMSOL Multiphysics

קבוצת Altran מובילה עולמית בחדשנות והייטק בתחומי חלל ותעופה, כלי רכב ממונעים, אנרגיה, רכבות, ועוד. הקבוצה עובדת על פרויקט שקשור למחקרים אודות בנייתן ומיקומן של אנטנות וחיזוי של שח”מ (שטח חיתוך מכ”ם). אחד הפיתוחים הגדולים ביותר עליה עובדת הקבוצה בתחום זה הינו ספינות ומטוסים חמקנים אשר יודעים להיעלם מהמכ”ם.
באופן כללי הם מסוגלים לעשות זאת ע”י שילוב של מספר טכנולוגיות, כולל צורת שטח הפנים של המטרה, על מנת להחזיר אנרגיה מהמקור, והשימוש בחומרים שסופגים את אותות הרדאר. עם זאת, על מנת שאנטנה של ספינה או מטוס תתפקד כראוי, היא לא יכולה להיות לגמרי מכוסה – דבר שהופך אותה לאחד הרכיבים היחידים שנותרו שהם בעלי שח”מ גדול, מה שיכול למעשה להרוס את חוסר הנראות הכללית של המערכת לרדאר

השח”מ תלוי בקוטביות ובתדר של הגל החשמלי. כאשר נחשול אלקטרומגנטי שולח אות חשמלי למטרה, זרמים חשמליים יוצרים השראה חשמלית במטרה, וקרינה משנית מהמטרה יוצרת גל מפוזר. השדה המפוזר הזה נשלח באופן חלקי ישירות חזרה למקור הגל החשמלי, וזהו העיקרון עליו פועל מכ”ם. שיא הגל החוזר קשור לשבח האנטנה ולשטח הפנים היעיל שלה. כאן ישנו טוויסט אירוני: מתכנני אנטנות בדרך כלל רוצים למקסם את שבח האנטנה, אך על מנת לצמצם את השח”מ הם חייבים לבצע את ההפך, ספציפית להוריד את השבח.
דרך אחת לעקוף בעיה זו היא להשתמש בשטח פנים סלקטיבי של תדר (FSS). הוא מכיל תבנית של חורים או שטחי פנים על מצע, שלמעשה יוצרים גורם מסנן. בטווח התדר הרצוי, האנטנה מתפקדת רגיל. בתדרים אחרים, ה FSS קולט במקום לפזר, קרינה חשמלית. אנטנות לרוב ממוקמות בתוך כיפה המגנה על אנטנות מכ”ם. אם הכיפה עשויה מ FSS כזה, השח”ם שלה מופחת בצורה משמעותית, פרט לתדרים הפעילים.

תוכנת ®COMSOL Multiphysics הייתה כלי משמעותי ועיקרי במחקרי קבוצת Altran בתחום הזה, כולל בניית גיאומטריות וצורות עבור ה FSS, בחינת העובי, התשתית, השלבים בין כל האלמנטים, קונפיגורציות פיזיקליות ותדרים שיוצרים תהודה, כולם קיבלו מענה מדויק בתוכנת ®COMSOL Multiphysics. ה- FSS מכיל שורה של אובייקטים גיאומטריים, ויכול להיות מאוד גדול מבחינה חשמלית עם שלבים רבים בכל אובייקט, דבר שהופך בניית סימולציה למסורבלת ויקרה במונחי כוח וזמן של מחשב.

למזלה של הקבוצה, ל- ®COMSOL Multiphysics יש פתרון מצוין לבעיה. התוכנה מאפשרת בניית סימולציה של יחידת תא אחת ולכן התהליך צורך הרבה פחות זמן. האפשרות הזו של התוכנה מספקת המשכיות של השדות החשמליים והמגנטיים כך שמתקבלות תוצאות שוות ערך ממש כאילו מבצעים סימולציה על מערך שלם של אובייקטים.

הקבוצה השתמשה ב- ®COMSOL Multiphysics על מנת לחקור את תגובות התדרים במגוון צורות וגדלים, וכיצד הם מופצים על פני השטח. אפשרי גם להכין תרשים מסובך יותר על ידי שימוש בשני מבנים בעלי התנהגויות משלימות. האפשרות לנסות כל מספר של צורות מבליטה מבליטה את יכולותיה של התוכנה בלעזור למשתמשים להיות יעילים יותר במציאת פתרונות.

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL

®COMSOL Multiphysics מסייעת בטיפול MRI יעיל יותר לאיתור גידולים סרטניים

בפרויקט שממש פורץ את הגבולות של מה שנחשב לאפשרי, צוות מטעם ה Cross Cancer Institute בקנדה משלב את האיכות יוצאת הדופן של דימות תהודה מגנטית (MRI) עם עוצמתו של מאיץ החלקיקים הליניארי על מנת לאפשר רדיותרפיה מדויקת להפליא.

אין זו אמת נעימה, אך רדיותרפיה לגילוי סרטן היא טיפול שמלווה בהרבה חוסר ודאות לגבי איתור מדויק של גידולים. מצד שני, סריקת MRI עשויה לסייע בזיהוי טוב של מיקום הגידול, אך היא אינה יכולה לבוא יחד עם רדיותרפיה, כיוון שהאחרונה מלווה במאיץ חלקיקים ליניארי, ושתי הטכניקות מתנגשות. סורקי MRI מוכרחים לקבל אותות עמומים מאוד של גלי רדיו מהמטופל על מנת לייצר תמונה.

מאיץ חלקיקים מייצר כמות גדולה של גלי רדיו, דבר שמפריע לתהליך ה MRI. מאיץ החלקיקים תפקידו לשלוח אלקטרונים למטרה כדי לייצר קרני רנטגן שיהרגו את הסרטן, אך אותם אלקטרונים נחסמים ע”י השדות המגנטיים שמייצר ה MRI. אם שתי המערכות הללו יכלו לעבוד יחדיו, הן היו מייצרות טיפול אידיאלי שיכל לזהות כל גידול במהלך הטיפול. עד לפי כמה שנים הדבר נחשב לבלתי אפשרי, עד אשר צוות מ Cross Cancer Institute באדמונטון, קנדה, הוכיחו כי זה אפשרי מאוד.

אתגר אחר אתגר
פרופסור גינו פלון מאוני’ אלברטה באדמונטון קנדה הקים בשנת 2005 כוח משימה לפתרון הבעיה. מאז הצוות הצליח להפיל מחסומים שעד עתה נחשבו לכאלה שלא ניתן להתגבר עליהם. ב 2008 הצוות בנה אב טיפוס שפועל במלואו ומעוצב לאזור הראש. פלון מציין כי היה עליהם להתחשב בתכונות מערכת ה MRI, מאיץ החלקיקים הליניארי, השילוב האופטימאלי ביניהם, והחדר בו ההתקנה החדשה תתפוס מקום. סימולציה לקחה חלק עיקרי בהתקדמות לעבר שימוש רפואי בעולם האמיתי, רדיותרפיה מוכוונת MRI, והצוות השתמש ב- ®COMSOL Multiphysics.

מגנים על מאיץ החלקיקים הליניארי
“השימוש ב- ®COMSOL Multiphysics איפשר לנו לאמת את טולראנטיות מאיץ החלקיקים כלפי השדה המגנטי, ולצמצם את המגן (שנועד להתמודד עם השדות המגנטיים שמייצר מכשיר ה MRI) לרדיוס של 30 ס”מ ועובי של 6 ס”מ. המגן החדש הוא יותר מפי שלוש קל יותר מהמקורי, הרבה יותר פרקטי מנקודת מבט של תכנון הנדסי. בנוסף המגן החדש הפחית בצורה דרמטית את היעדר ההומוגניות בשדה ה MRI ביותר מפי שלוש, שזה חיוני ליצירת חוסר עיוות בתמונת ה MRI”.

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL

בואינג בונה סימולציות ב- ®COMSOL Multiphysics של התפשטות חום בתרכובות בעלות רדיד מתכת מורחב עבור הגנה מפני ברקים בכלי טיס:

מטוס הבואינג 787 דרימליינר הינו חדשני בכך שיותר מ- 50% ממנו עשויים פלסטיק מחוזק שעשוי סיבי פחמן (פמס”פ), בשל משקלו הקל של החומר הזה וחוזקו יוצא הדופן. על אף שלתרכובות פמס”פ יש יתרונות רבים, הם לא מסוגלים למתן את הנזק הפוטנציאלי מהאפקטים האלקטרומגנטיים שנוצרים בעת פגיעת ברק במטוס. כדי לפתור בעיה זו, רדיד מתכת מורחב (רמ”מ) מוליך חשמל יכול להתווסף לתרכובת על מנת לפזר במהירות חום וזרמים וכך להגן על הפמס”פ של כלי טיס בפגיעות ברקים.
מהנדסים במעבדות המחקר והטכנולוגיה של בואינג משתמשים בסימולציה מולטיפיזיקלית ובמדידות פיזיקליות על מנת לחקור את ההשפעה שיש לפרמטרי רמ”מ על לחצים תרמיים ותזוזות בכל אחת משכבות מבנה התרכובת. לחץ מצטבר בשכבת ההגנה של מבנה התרכובת כתוצאה ממחזוריות תרמית בשל מחזור התעופה בעל סגנון “מקרקע לאוויר”. במהלך הזמן השכבה עלולה להיסדק, מה שמאפשר את הכניסה של לחות וזנים סביבתיים אשר יוצרים קורוזיה ברמ”מ, ובשל כך מפחיתים את המוליכות החשמלית שלו ויכולתו לבצע את פונקצית ההגנה. מטרת המחקר הינה לשפר את היציבות התרמית הכללית במבנה התרכובת וכך להפחית את הסכנות ואת עלויות התחזוקה שנקשרים עם נזקים בשכבת ההגנה.

סימולציות התפשטות חום בתרכובות כלי טיס
תרשים ההגנה נבנה בתוכנת ®COMSOL Multiphysics ובו שכבות אשר כל אחת כוללת פרמטרים שתורמים לצמיחת הלחץ המכני בשכבת ההגנה על פני הזמן בשל היותם כפופים למחזוריות תרמית. הגיאומטריה שנעשה בה שימוש בתרשים נלקחה ממודל מקדם התפשטות החום שפותח ב- ®COMSOL Multiphysics ע”י צוות החוקרים, במטרה להעריך את הלחץ התרמי והתזוזה בכל שכבה, בדוגמא מרובעת בגודל 1 אינץ’ של מבנה התרכובת.

במחקר זה, גובה הרמ”מ, עובי קווי הרשת, יחס הכיוון, ההרכב המתכתי ומבנה השטח – השתנו מספר פעמים על מנת להעריך את השפעתם על ביצועים תרמיים לאורך המבנה כולו. הרכבו המתכתי של הרמ”מ היה אלומיניום או נחושת, כאשר רדיד אלומיניום מצריך פיברגלס נוסף בין הרמ”מ והתרכובת כדי למנוע קורוזיה מגולוונת.
מאפייני החומר בכל שכבה כוללים את מקדם התפשטות החום, נפח החום, צפיפות, מוליכות תרמית, מודול האלסטיות, ומקדם פואסון. אלו נוספו למודל שנבנה ב- ®COMSOL כערכים מוגדרים אישית. מקדם התפשטות החום של שכבת הצבע מוגדר ע”י פונקציה שמייצגת את השינוי הפתאומי בהתפשטות החום בטמפרטורת מעבר הזכוכית של החומר.
במודל מקדם התפשטות החום, ממשק הלחץ התרמי המולטיפיזיקלי מצמד מכניקת מוצקים עם מעבר חום על מנת לסמלץ התפשטות חום ולפתור עבור התזוזה לאורך המבנה. הסימולציות הוגבלו לחימום של מבנה התרכובת כפי שנצפה בעבר בכלי טיס בהם טמפרטורות סופיות והתחלתיות הוגדרו במודל לייצג את טמפרטורות הקרקע והגובה בהתאמה.