ANSYS Fluent帮助挽救婴儿生命

ANSYS Fluent帮助挽救婴儿生命

全世界范围内,有极少数儿童在出生时会患有一种名为左心发育不良综合征 (HLHS) 的心脏病。这种先天性心脏缺陷导致只有一个心室能正常工作。在美国,每年有960名新生儿会受到这种疾病的影响。要想治疗这种疾病并存活下来,儿童需要在三岁前做三次手术(Norwood、BCPA和TCPC)。

这些手术存在极大的风险,很多儿童都无法存活下来。然而,医生利用ANSYS Fluent CFD仿真来测试手术方案,就能获得更多信息以便选择最佳的手术方案。这种仿真技术能够提高患者的存活率并减少并发症。

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术前第2阶段BCPA的3D模型以及人体循环系统的LPM简化模型。由美国加利福尼亚州Palo Alto地区Lucile Packard儿童医院提供的患者解剖示意图。

这类新的医疗仿真方法称为In silico测试,它需要生物工程师将生物扫描转化为用来仿真特定患者临床治疗的CAD模型。ANSYS的医疗保健行业总监Thierry Marchal指出:“与外科医生交流并在手术室观看瓣膜置换术,这个经历让我明白了我们为什么要如此努力地开发仿真软件。”

在ANSYS Fluent工具和Marchal仿真专家的帮助下,医生以及米兰理工大学的众多研究专家利用In silico测试来协助治疗HLHS患者。

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TCPC手术的造影剂注入上腔静脉和下腔静脉仿真。为速度进行了颜色编码。

上述专家则执行生物医学扫描并转换为针对特定患者的3D几何结构。扫描结果为黑白图片。随后,利用灰度等级变化确定图片中对象(器官、动脉等)的形状。通过标定图像的灰度谱来生成精确的3D图像表示。Marchal指出:“这叫做分段。有几种软件可供生物工程师进行选择,以处理生物扫描到CAD的转换过程。”

对心脏和心脏主动脉进行建模后,工程师就可以建立多域仿真来模拟血液流动。

将大部分的循环系统简化为集中参数网络 (LPN) 以创建正确的边界条件。此外,通过简化还可缩短仿真处理所需的计算时间,以便测试更多的手术方案。

Marchal表示:“我们经常要求做人体模型简化的仿真。我们不考虑血细胞和小动脉。模拟整个人体并不重要,我们的目标是挽救生命。如果可以做到,我们就会简化模型。如果需要让模型更复杂,我们就会让它更复杂。最终,我们想要利用最少的计算量获得最大的确定性,从而挽救生命。”

为此,可根据需求将LPN做得尽量复杂或尽可能简单。工程师用它来代表人体并馈送仿真的边界条件。LPN还可进行修改以仿真不同的患者活动,包括跑步、骑车和工作等。这意味着医生能够评估手术后患者可以参加哪些活动。

得益于模型的简化以及计算软件的改进,仿真能够计算得更快速。对于HLHS患者来说,第一次手术必须在出生几天后进行。每浪费一天都将会加大患者的风险。几年前,这种仿真需要几天来完成。不过,凭借云计算和仿真优化,现在只需要几分钟的时间。

为了让仿真技术发展成为能被医疗专业人士所使用的独立工具,Marchal建议说服更多的学生成为生物工程师。“我们的困难在于缺乏生物工程专业的员工,尤其是缺乏这方面的女性技术人员。我们有太多医生,但生物工程师的数量不足。如果这些未来医生中的一些人能成为生物工程师,从事类似于医生的工作,将产生非常深远的影响。我是说他们将能挽救更多生命。”

无论是飞机机翼还是儿童心脏治疗领域,仿真都能挽救生命。就HLHS心脏病而言,这些手术仿真将挽救很多新生儿的生命(在美国每年这样的新生儿有960例)。此外,这项研究还将向其它外科疗法打开仿真的大门,救治更多的宝贵生命。