搜索CFD模擬拯救患有致命心臟缺陷的嬰兒
2016-09-02 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
ANSYS Fluent可以挽救嬰兒的生命
BCPA手術模擬:對比劑注入上腔大靜脈的速度云圖
世界各地都會出現(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?；加羞@種先天性疾病的孩子只有一個心室是正常的。在美國,每年都會有960個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行三次手術,分別是Norwood、BCPA和TCPC手術。
這些手術存在很大風險,許多孩子在手術的過程中失去了生命。如今,采用ANSYS Fluent CFD模擬來測試手術方式,醫(yī)生們能夠獲取更多的信息從而選擇最優(yōu)的手術方式。這些模擬可以增加患者的存活率并減少并發(fā)癥。
ANSYS公司資深流體產品線經(jīng)理Gilles Eggenspieler博士補充道:“當啊啊有人問我:‘模擬準確嗎,或我們能依靠它嗎?’我就給他們講訴那些患病孩子的故事。如果對于這些優(yōu)秀的醫(yī)生來說模擬足以測試能挽救生命的手術,那么對于產品本身來說,它也是足夠優(yōu)秀的?！?br />
挽救生命的CFD模擬的建立
進行階段2的手術之前,與人體循環(huán)系統(tǒng)LPN簡化模型進行耦合的BCPA三維模型。
(病理解剖圖源自美國加利福尼亞州帕羅奧圖市Lucile
Packard兒童醫(yī)院。)
在ANSYS Fluent和Marchal主管帶領的仿真專家們的幫助之下,醫(yī)生和外科醫(yī)生們,以及通過米蘭理工大學組織的研究專家團隊使用計算機測試手術方式以幫助治療HLHS患者。
當前,對于醫(yī)生來說,這種模擬過程過于復雜。工程師們打算改進軟件中的幾何結構以研究每一個由醫(yī)生定義的手術方式。這些專家能夠獲取特定患者的任何生物醫(yī)學掃描,并將其轉換為三維幾何結構。掃描獲得的是一種黑白圖像。圖像上的黑、白色之間階梯過渡,這種階梯變化的灰色可以用來識別目標外形(器官、動脈等等)。通過校準圖像的灰色譜,可以將圖像精準地轉換為三維模型。“這叫做分段,”Marchal主管說?！笆袌錾嫌幸恍┛梢詫⑸镝t(yī)學掃描轉換為CAD模型的軟件可供工程師選擇,比如Simpleware和Materialise?！?br />
一旦建好心臟和心臟大動脈的模型,工程師就可以建立多區(qū)域模擬從而模擬血液流動。
人體循環(huán)系統(tǒng)中的大部分都可以被簡化為一種集成參數(shù)網(wǎng)絡(LPN)以建立適當?shù)倪吔鐥l件。此外,這種簡化將減少進行模擬的計算時間,這樣就可測試更多的手術方式。
“經(jīng)常有人告訴我們這種模擬過于簡化了人體。我們沒有考慮血細胞和小動脈。但是對于模擬整個人體來說,這些并不重要;我們的目標是挽救生命。如果我們能夠做到挽救生命,那我們就可以對人體模型進行簡化。如果我們需要比較復雜的模型,那么我們也可以建立更加復雜的模型。但是期限之內,我們試著使用最小的計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簡化或復雜化。工程師們使用它來表示人體,使用它作為模擬的邊界條件。對LPN進行修改,可以模擬患者不同的活動狀態(tài),比如奔跑、騎車和工作。這就意味著醫(yī)生能夠評估術后患者可以進行哪種活動。
“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?！皩τ谛呐K手術來說,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)會影響模擬的邊界條件,因此不能忽略它們的作用?！?br />
得力于這些簡化和改進的計算軟件,模擬的速度非?？臁τ贖LHS患者來說,出生后幾天就要進行第一次手術。浪費的每一天都會增減患者的風險。幾年前,這種模擬需要花費好幾天。然而隨著云計算和模擬優(yōu)化的出現(xiàn),完成模擬只花費幾分鐘。
醫(yī)生們會建立他們自己的CFD模擬嗎?
TCPC手術模擬:對比劑注入上、下腔靜脈的速度云圖
計算機測試的一個早期挑戰(zhàn)是讓醫(yī)生去使用這種模擬?！拔覀冃枰f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為我們的結果存在價值的先行者并肩作戰(zhàn)。一旦我們說服醫(yī)生,我們就開發(fā)一種供他們使用的簡化版軟件,這樣他們自己就可以在計算機上研究手術,”Marchal說。
因此,ANSYS計劃將他們的仿真專家的知識轉換到軟件環(huán)境中,不經(jīng)過培訓醫(yī)生就能使用軟件。為此,CFD模擬的建立必須完全自動化。
“醫(yī)生沒有多少時間進行學習。他們忙于挽救生命。不幸的是,開發(fā)不出現(xiàn)錯誤的軟件是很困難的。尤其對于人類這樣復雜的生命體系。因此我們把大部分工作都放在了開發(fā)一款具有病理專用界面的軟件。或許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。但是它必須首先通過相關規(guī)定,”Marchal主管說。
他補充道:“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,我們永遠不會下定決策。模擬提供額外信息,我們的專家沒有進行過醫(yī)學決策的培訓。但是使用獨立的醫(yī)學程序,例如強大ANSYS Fluent,醫(yī)生和外科醫(yī)生能夠更快地制定更優(yōu)的決策?！?br />
同時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。不幸的是,做到這一點是非常困難的,因為他們必須操作患者的動脈和心臟的幾何結構。盡管如此,Marchal還是相信終有一天虛擬手術將成為現(xiàn)實。
對于仿真技術來說,為醫(yī)學工作者研發(fā)一款成熟的獨立工具,Marchal主管給出的建議是說服更多的學生成為生物工程師?！拔覀兊奶魬?zhàn)是缺乏生物工程師隊伍。對于女性尤其如此。我們擁有太多、太多的醫(yī)生,但是沒有足夠的生物工程師。如果一些想要成為醫(yī)生的人將來以生物工程師的身份做著與醫(yī)生類似的工作,那么這會是多么的有意義啊。我認為這樣他們將會挽救更多的生命?！?br />
模擬能在限期內挽救生命
“通過收集數(shù)百患者的幾何數(shù)據(jù),我可以革新衛(wèi)生保健過程,即在對真正的患者進行治療之前完成精確的測試程序。我們可能無法應對HLHS和心血管疾病,但是我們能更加迅速、便捷地做出反應,”Marchal主管說。
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