看ANSYS公司如何利用CFD助力心臟病患者手術(shù)

2018-04-14 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

CFD模擬可有效增加HLHS存活率

世界各地都會(huì)出現(xiàn)天生就患有一種被稱為左心室發(fā)育不全綜合征(HLHS)的心臟病的孩子。通常患有這種先天性疾病的孩子只有一個(gè)心室。在美國(guó),每年都會(huì)有960個(gè)新生兒罹患這種心臟病。為了治愈患有這種病的孩子,他們需要在三歲之前進(jìn)行三次手術(shù),分別是Norwood、BCPA和TCPC手術(shù)。

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BCPA手術(shù)模擬:對(duì)比劑注入上腔大靜脈的速度云圖

這些手術(shù)存在很大風(fēng)險(xiǎn),許多孩子在手術(shù)的過(guò)程中失去了生命。如今,采用ANSYS FLUENT CFD模擬來(lái)測(cè)試手術(shù)方式,醫(yī)生們能夠獲取更多的信息從而選擇最優(yōu)的手術(shù)方式。這些模擬可以增加患者的存活率并減少并發(fā)癥。

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這種新型醫(yī)學(xué)模擬方法需要使用計(jì)算機(jī)完成測(cè)試過(guò)程。生物工程師需要將生物醫(yī)學(xué)掃描轉(zhuǎn)換為CAD模型,然后對(duì)患者進(jìn)行針對(duì)性的治療模擬。

ANSYS公司醫(yī)療保健行業(yè)主管Thierry Marchal 先生說(shuō):”曾經(jīng)有一次置身于手術(shù)室,與外科醫(yī)生有過(guò)交談,親眼目睹了瓣膜置換手術(shù),這就是我們?nèi)绱伺﹂_(kāi)發(fā)這種模擬軟件的原因?！?

ANSYS公司資深流體產(chǎn)品線經(jīng)理Gilles Eggenspieler博士補(bǔ)充道:”當(dāng)有人問(wèn)我:‘模擬準(zhǔn)確嗎,或我們能依靠它嗎?’我就給他們講訴那些患病孩子的故事。如果對(duì)于這些優(yōu)秀的醫(yī)生來(lái)說(shuō)模擬足以測(cè)試能挽救生命的手術(shù),那么對(duì)于產(chǎn)品本身來(lái)說(shuō),它也是足夠優(yōu)秀的?！?

挽救生命的CFD模擬建模

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與人體循環(huán)系統(tǒng)LPN簡(jiǎn)化模型進(jìn)行耦合的BCPA三維模型。

在ANSYS FLUENT和Marchal主管帶領(lǐng)的仿真專家們的幫助之下,醫(yī)生和外科醫(yī)生們,以及通過(guò)米蘭理工大學(xué)組織的研究專家團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算機(jī)測(cè)試手術(shù)方式以幫助治療HLHS患者。

關(guān)于建模

當(dāng)前,對(duì)于醫(yī)生來(lái)說(shuō),這種模擬過(guò)程過(guò)于復(fù)雜。工程師們打算改進(jìn)軟件中的幾何結(jié)構(gòu)以研究每一個(gè)由醫(yī)生定義的手術(shù)方式。這些專家能夠獲取特定患者的任何生物醫(yī)學(xué)掃描,并將其轉(zhuǎn)換為三維幾何結(jié)構(gòu)。掃描獲得的是一種黑白圖像。圖像上的黑、白色之間階梯過(guò)渡,這種階梯變化的灰色可以用來(lái)識(shí)別目標(biāo)外形(器官、動(dòng)脈等等)。通過(guò)校準(zhǔn)圖像的灰色譜,可以將圖像精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)換為三維模型?！斑@叫做分段,”Marchal主管說(shuō)?！笔袌?chǎng)上有一些可以將生物醫(yī)學(xué)掃描轉(zhuǎn)換為CAD模型的軟件可供工程師選擇,比如Simpleware和Materialise?！?

一旦建好心臟和心臟大動(dòng)脈的模型,工程師就可以建立多區(qū)域模擬從而模擬血液流動(dòng)。

關(guān)于模型簡(jiǎn)化

人體循環(huán)系統(tǒng)中的大部分都可以被簡(jiǎn)化為一種集成參數(shù)網(wǎng)絡(luò)(LPN)以建立適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。此外,這種簡(jiǎn)化將減少進(jìn)行模擬的計(jì)算時(shí)間,這樣就可測(cè)試更多的手術(shù)方式。

“經(jīng)常有人告訴我們這種模擬過(guò)于簡(jiǎn)化了人體。我們沒(méi)有考慮血細(xì)胞和小動(dòng)脈。但是對(duì)于模擬整個(gè)人體來(lái)說(shuō),這些并不重要;我們的目標(biāo)是挽救生命。如果我們能夠做到挽救生命,那我們就可以對(duì)人體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。如果我們需要比較復(fù)雜的模型,那么我們也可以建立更加復(fù)雜的模型。但是期限之內(nèi),我們?cè)囍褂米钚〉挠?jì)算量獲得最大的挽救生命的可能性,”Marchal主管表示。

為此,可以按照需求將LPN簡(jiǎn)化或復(fù)雜化。工程師們使用它來(lái)表示人體,使用它作為模擬的邊界條件。對(duì)LPN進(jìn)行修改,可以模擬患者不同的活動(dòng)狀態(tài),比如奔跑、騎車和工作。這就意味著醫(yī)生能夠評(píng)估術(shù)后患者可以進(jìn)行哪種活動(dòng)。

LPN的邊界條件必須精確

“LPN的身體模型并不精確,但是LPN的邊界條件是精確的,”Marchal主管解釋道?！睂?duì)于心臟手術(shù)來(lái)說(shuō),腿和大腦并不重要。但是不能忽略它們的作用,否則將丟失輸送到它們那兒的血液。人體循環(huán)系統(tǒng)會(huì)影響模擬的邊界條件,因此不能忽略它們的作用?！?

得力于這些簡(jiǎn)化和改進(jìn)的計(jì)算軟件,模擬的速度非?？?。對(duì)于HLHS患者來(lái)說(shuō),出生后幾天就要進(jìn)行第一次手術(shù)。浪費(fèi)的每一天都會(huì)增減患者的風(fēng)險(xiǎn)。幾年前,這種模擬需要花費(fèi)好幾天。然而隨著云計(jì)算和模擬優(yōu)化的出現(xiàn),完成模擬只花費(fèi)幾分鐘。

若讓醫(yī)生使用CFD模擬,必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

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TCPC手術(shù)模擬:對(duì)比劑注入上、下腔靜脈的速度云圖

計(jì)算機(jī)測(cè)試的一個(gè)早期挑戰(zhàn)是讓醫(yī)生去使用這種模擬?！蔽覀冃枰f(shuō)服醫(yī)生,使他們相信這是一種可行的選擇。許多外科醫(yī)生只相信其他的外科醫(yī)生。然而我們正與一些認(rèn)可我們結(jié)果存在價(jià)值的先行者并肩作戰(zhàn)。一旦我們說(shuō)服醫(yī)生,我們就開(kāi)發(fā)一種供他們使用的簡(jiǎn)化版軟件,這樣他們自己就可以在計(jì)算機(jī)上研究手術(shù),”Marchal說(shuō)。

因此,ANSYS計(jì)劃將他們的仿真專家的知識(shí)轉(zhuǎn)換到軟件環(huán)境中,不經(jīng)過(guò)培訓(xùn)醫(yī)生就能使用軟件。為此,CFD模擬的建立必須完全自動(dòng)化。

“醫(yī)生沒(méi)有多少時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。他們忙于挽救生命。不幸的是,開(kāi)發(fā)不出現(xiàn)錯(cuò)誤的軟件是很困難的。尤其對(duì)于人類這樣復(fù)雜的生命體系。因此我們把大部分工作都放在了開(kāi)發(fā)一款具有病理專用界面的軟件?；蛟S幾年后我們就可以看到一些醫(yī)生在使用模擬軟件治療特定的疾病或者規(guī)劃某些手術(shù)。但是它必須首先通過(guò)相關(guān)規(guī)定,”Marchal主管說(shuō)。

他補(bǔ)充道:”我們想為醫(yī)生提供的是一款能夠給出建議和優(yōu)化程序的工具。然而,我們永遠(yuǎn)不會(huì)下定決策。模擬提供額外信息,我們的專家沒(méi)有進(jìn)行過(guò)醫(yī)學(xué)決策的培訓(xùn)。但是使用獨(dú)立的醫(yī)學(xué)程序,例如強(qiáng)大ANSYS FLUENT,醫(yī)生和外科醫(yī)生能夠更快地制定更優(yōu)的決策?！?

同時(shí)也希望這款軟件可以讓醫(yī)生在患者身上執(zhí)行虛擬的手術(shù)。不幸的是,做到這一點(diǎn)是非常困難的,因?yàn)樗麄儽仨毑僮骰颊叩膭?dòng)脈和心臟的幾何結(jié)構(gòu)。盡管如此,Marchal還是相信終有一天虛擬手術(shù)將成為現(xiàn)實(shí)。

對(duì)于仿真技術(shù)來(lái)說(shuō),為醫(yī)學(xué)工作者研發(fā)一款成熟的獨(dú)立工具,Marchal主管給出的建議是說(shuō)服更多的學(xué)生成為生物工程師。”我們的挑戰(zhàn)是缺乏生物工程師隊(duì)伍。對(duì)于女性尤其如此。我們擁有太多、太多的醫(yī)生,但是沒(méi)有足夠的生物工程師。如果一些想要成為醫(yī)生的人將來(lái)以生物工程師的身份做著與醫(yī)生類似的工作,那么這會(huì)是多么的有意義啊。我認(rèn)為這樣他們將會(huì)挽救更多的生命?！?

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