【應(yīng)用】ANSYSFluent幫助挽救嬰兒生命

2016-10-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

全世界范圍內(nèi),有極少數(shù)兒童在出生時(shí)會(huì)患有一種名為左心發(fā)育不良綜合征 (HLHS) 的心臟病。這種先天性心臟缺陷導(dǎo)致只有一個(gè)心室能正常工作。在美國,每年有960名新生兒會(huì)受到這種疾病的影響。要想治療這種疾病并存活下來,兒童需要在三歲前做三次手術(shù)(Norwood、BCPA和TCPC)。

這些手術(shù)存在極大的風(fēng)險(xiǎn),很多兒童都無法存活下來。然而,醫(yī)生利用ANSYS Fluent CFD仿真來測(cè)試手術(shù)方案,就能獲得更多信息以便選擇最佳的手術(shù)方案。這種仿真技術(shù)能夠提高患者的存活率并減少并發(fā)癥。

這類新的醫(yī)療仿真方法稱為In silico測(cè)試,它需要生物工程師將生物掃描轉(zhuǎn)化為用來仿真特定患者臨床治療的CAD模型。ANSYS的醫(yī)療保健行業(yè)總監(jiān)Thierry Marchal指出:“與外科醫(yī)生交流并在手術(shù)室觀看瓣膜置換術(shù),這個(gè)經(jīng)歷讓我明白了我們?yōu)槭裁匆绱伺Φ亻_發(fā)仿真軟件?！?

ANSYS 的高級(jí)流體產(chǎn)品線經(jīng)理Gilles Eggenspieler博士補(bǔ)充道:“當(dāng)有人問我:‘仿真是否精確,或者我們可以依靠它嗎?我會(huì)給他們講關(guān)于這些孩子的故事。如果優(yōu)秀的醫(yī)生能夠利用仿真技術(shù)來測(cè)試挽救生命的外科手術(shù),那么這些仿真技術(shù)想必能同樣滿足他們的產(chǎn)品需求。”

建立挽救生命的CFD仿真

術(shù)前第2階段BCPA的3D模型以及人體循環(huán)系統(tǒng)的LPM簡化模型。由美國加利福尼亞州Palo Alto地區(qū)Lucile Packard兒童醫(yī)院提供的患者解剖示意圖。

在ANSYS Fluent工具和Marchal仿真專家的幫助下,醫(yī)生以及米蘭理工大學(xué)的眾多研究專家利用In silico測(cè)試來協(xié)助治療HLHS患者。

目前,仿真過程對(duì)于醫(yī)生來說過于復(fù)雜,醫(yī)生無法獨(dú)立完成。工程師會(huì)修改軟件中的幾何結(jié)構(gòu),以研究由醫(yī)生設(shè)定的每種手術(shù)方案。

上述專家則執(zhí)行生物醫(yī)學(xué)掃描并轉(zhuǎn)換為針對(duì)特定患者的3D幾何結(jié)構(gòu)。掃描結(jié)果為黑白圖片。隨后,利用灰度等級(jí)變化確定圖片中對(duì)象(器官、動(dòng)脈等)的形狀。通過標(biāo)定圖像的灰度譜來生成精確的3D圖像表示。Marchal指出:“這叫做分段。有幾種軟件可供生物工程師進(jìn)行選擇,以處理生物掃描到CAD的轉(zhuǎn)換過程?！?

對(duì)心臟和心臟主動(dòng)脈進(jìn)行建模后,工程師就可以建立多域仿真來模擬血液流動(dòng)。

將大部分的循環(huán)系統(tǒng)簡化為集中參數(shù)網(wǎng)絡(luò) (LPN) 以創(chuàng)建正確的邊界條件。此外,通過簡化還可縮短仿真處理所需的計(jì)算時(shí)間,以便測(cè)試更多的手術(shù)方案。

Marchal表示:“我們經(jīng)常要求做人體模型簡化的仿真。我們不考慮血細(xì)胞和小動(dòng)脈。模擬整個(gè)人體并不重要,我們的目標(biāo)是挽救生命。如果可以做到,我們就會(huì)簡化模型。如果需要讓模型更復(fù)雜,我們就會(huì)讓它更復(fù)雜。最終,我們想要利用最少的計(jì)算量獲得最大的確定性,從而挽救生命。”

為此,可根據(jù)需求將LPN做得盡量復(fù)雜或盡可能簡單。工程師用它來代表人體并饋送仿真的邊界條件。LPN還可進(jìn)行修改以仿真不同的患者活動(dòng),包括跑步、騎車和工作等。這意味著醫(yī)生能夠評(píng)估手術(shù)后患者可以參加哪些活動(dòng)。

Marchal 解釋說:“LPN從整個(gè)人體范圍來說并不精確,但在邊界條件上十分精確。腿和大腦對(duì)于心臟手術(shù)來說不重要,但不能忽略它們,否者模型就會(huì)缺失必須輸送到這些器官的那部分血液。循環(huán)系統(tǒng)會(huì)影響仿真的邊界條件,因此不能被忽略?！?

得益于模型的簡化以及計(jì)算軟件的改進(jìn),仿真能夠計(jì)算得更快速。對(duì)于HLHS患者來說,第一次手術(shù)必須在出生幾天后進(jìn)行。每浪費(fèi)一天都將會(huì)加大患者的風(fēng)險(xiǎn)。幾年前,這種仿真需要幾天來完成。不過,憑借云計(jì)算和仿真優(yōu)化,現(xiàn)在只需要幾分鐘的時(shí)間。

醫(yī)生能建立自己的CFD仿真嗎?

TCPC手術(shù)的造影劑注入上腔靜脈和下腔靜脈仿真。為速度進(jìn)行了顏色編碼。

初期階段,In silico測(cè)試所面臨的一大挑戰(zhàn)在于讓醫(yī)生能夠接受它。Marchal 解釋道:“我們需要告訴醫(yī)生這是一種可行的方法。很多外科醫(yī)生只相信其他外科醫(yī)生。因此,我們與一些看重我們產(chǎn)品的先驅(qū)者進(jìn)行合作。一旦說服了醫(yī)生,我們便可開發(fā)軟件的簡化版本,讓醫(yī)生自己研究silico手術(shù)?！?

為此,ANSYS 計(jì)劃將仿真專家的知識(shí)轉(zhuǎn)化為醫(yī)生不用培訓(xùn)就能使用的環(huán)境。這樣,CFD仿真建立過程必須完全自動(dòng)執(zhí)行。

Marchal指出:“醫(yī)生沒時(shí)間學(xué)習(xí)這些。他們要救助生命。遺憾的是,開發(fā)不能出錯(cuò)誤的軟件并非易事,尤其是對(duì)于如此復(fù)雜的人體更為如此。因此,我們投入大量工作來開發(fā)面向病理學(xué)的專用界面?；蛟S在幾年后我們會(huì)看到有些醫(yī)生使用仿真軟件治療某種疾病或制定特定的手術(shù)計(jì)劃。但是,首先必須通過法律法規(guī)這關(guān)?！?

他補(bǔ)充道:“我們想給醫(yī)生提供一種制定和優(yōu)化治療程序的工具。然而,我們不可能做決定。仿真能提供更多信息;我們的專家沒經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn),無法制定醫(yī)療決策。但是,醫(yī)生憑借由ANSYS Fluent支持的獨(dú)立醫(yī)療程序可做出更好更快的決定?！?

我們希望該軟件能夠支持醫(yī)生對(duì)患者做虛擬手術(shù)。但這存在相當(dāng)大的難度,因?yàn)樗麄儽仨毑倏v患者動(dòng)脈和心臟的幾何結(jié)構(gòu),不過,Marchal相信虛擬手術(shù)有一天一定會(huì)出現(xiàn)。

為了讓仿真技術(shù)發(fā)展成為能被醫(yī)療專業(yè)人士所使用的獨(dú)立工具,Marchal建議說服更多的學(xué)生成為生物工程師?！拔覀兊睦щy在于缺乏生物工程專業(yè)的員工,尤其是缺乏這方面的女性技術(shù)人員。我們有太多醫(yī)生,但生物工程師的數(shù)量不足。如果這些未來醫(yī)生中的一些人能成為生物工程師,從事類似于醫(yī)生的工作,將產(chǎn)生非常深遠(yuǎn)的影響。我是說他們將能挽救更多生命?！?

最終,仿真將會(huì)挽救生命