【應用】ANSYSFluent幫助挽救嬰兒生命

2016-10-13 by:CAE仿真在線來源:互聯網

全世界范圍內,有極少數兒童在出生時會患有一種名為左心發育不良綜合征 (HLHS) 的心臟病。這種先天性心臟缺陷導致只有一個心室能正常工作。在美國,每年有960名新生兒會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(Norwood、BCPA和TCPC)。

這些手術存在極大的風險,很多兒童都無法存活下來。然而,醫生利用ANSYS Fluent CFD仿真來測試手術方案,就能獲得更多信息以便選擇最佳的手術方案。這種仿真技術能夠提高患者的存活率并減少并發癥。

這類新的醫療仿真方法稱為In silico測試,它需要生物工程師將生物掃描轉化為用來仿真特定患者臨床治療的CAD模型。ANSYS的醫療保健行業總監Thierry Marchal指出:“與外科醫生交流并在手術室觀看瓣膜置換術,這個經歷讓我明白了我們為什么要如此努力地開發仿真軟件?！?

ANSYS 的高級流體產品線經理Gilles Eggenspieler博士補充道:“當有人問我:‘仿真是否精確,或者我們可以依靠它嗎?我會給他們講關于這些孩子的故事。如果優秀的醫生能夠利用仿真技術來測試挽救生命的外科手術,那么這些仿真技術想必能同樣滿足他們的產品需求?！?

建立挽救生命的CFD仿真

術前第2階段BCPA的3D模型以及人體循環系統的LPM簡化模型。由美國加利福尼亞州Palo Alto地區Lucile Packard兒童醫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,醫生以及米蘭理工大學的眾多研究專家利用In silico測試來協助治療HLHS患者。

目前,仿真過程對于醫生來說過于復雜,醫生無法獨立完成。工程師會修改軟件中的幾何結構,以研究由醫生設定的每種手術方案。

上述專家則執行生物醫學掃描并轉換為針對特定患者的3D幾何結構。掃描結果為黑白圖片。隨后,利用灰度等級變化確定圖片中對象(器官、動脈等)的形狀。通過標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行選擇,以處理生物掃描到CAD的轉換過程。”

對心臟和心臟主動脈進行建模后,工程師就可以建立多域仿真來模擬血液流動。

將大部分的循環系統簡化為集中參數網絡 (LPN) 以創建正確的邊界條件。此外,通過簡化還可縮短仿真處理所需的計算時間,以便測試更多的手術方案。

Marchal表示:“我們經常要求做人體模型簡化的仿真。我們不考慮血細胞和小動脈。模擬整個人體并不重要,我們的目標是挽救生命。如果可以做到,我們就會簡化模型。如果需要讓模型更復雜,我們就會讓它更復雜。最終,我們想要利用最少的計算量獲得最大的確定性,從而挽救生命。”

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

Marchal 解釋說:“LPN從整個人體范圍來說并不精確,但在邊界條件上十分精確。腿和大腦對于心臟手術來說不重要,但不能忽略它們,否者模型就會缺失必須輸送到這些器官的那部分血液。循環系統會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算軟件的改進,仿真能夠計算得更快速。對于HLHS患者來說,第一次手術必須在出生幾天后進行。每浪費一天都將會加大患者的風險。幾年前,這種仿真需要幾天來完成。不過,憑借云計算和仿真優化,現在只需要幾分鐘的時間。

醫生能建立自己的CFD仿真嗎?

TCPC手術的造影劑注入上腔靜脈和下腔靜脈仿真。為速度進行了顏色編碼。

初期階段,In silico測試所面臨的一大挑戰在于讓醫生能夠接受它。Marchal 解釋道:“我們需要告訴醫生這是一種可行的方法。很多外科醫生只相信其他外科醫生。因此,我們與一些看重我們產品的先驅者進行合作。一旦說服了醫生,我們便可開發軟件的簡化版本,讓醫生自己研究silico手術。”

為此,ANSYS 計劃將仿真專家的知識轉化為醫生不用培訓就能使用的環境。這樣,CFD仿真建立過程必須完全自動執行。

Marchal指出:“醫生沒時間學習這些。他們要救助生命。遺憾的是,開發不能出錯誤的軟件并非易事,尤其是對于如此復雜的人體更為如此。因此,我們投入大量工作來開發面向病理學的專用界面。或許在幾年后我們會看到有些醫生使用仿真軟件治療某種疾病或制定特定的手術計劃。但是,首先必須通過法律法規這關。”

他補充道:“我們想給醫生提供一種制定和優化治療程序的工具。然而,我們不可能做決定。仿真能提供更多信息;我們的專家沒經過專業培訓,無法制定醫療決策。但是,醫生憑借由ANSYS Fluent支持的獨立醫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生對患者做虛擬手術。但這存在相當大的難度,因為他們必須操縱患者動脈和心臟的幾何結構,不過,Marchal相信虛擬手術有一天一定會出現。

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

最終,仿真將會挽救生命