看ANSYS公司如何利用CFD助力心臟病患者手術

2018-04-14  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

CFD模擬可有效增加HLHS存活率

世界各地都會出現天生就患有一種被稱為左心室發育不全綜合征(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心室。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。

BCPA手術模擬:對比劑注入上腔大靜脈的速度云圖

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,醫生們能夠獲取更多的信息從而選擇最優的手術方式。這些模擬可以增加患者的存活率并減少并發癥。

這種新型醫學模擬方法需要使用計算機完成測試過程。生物工程師需要將生物醫學掃描轉換為CAD模型,然后對患者進行針對性的治療模擬。

ANSYS公司醫療保健行業主管Thierry Marchal 先生說:”曾經有一次置身于手術室,與外科醫生有過交談,親眼目睹了瓣膜置換手術,這就是我們如此努力開發這種模擬軟件的原因。”

ANSYS公司資深流體產品線經理Gilles Eggenspieler博士補充道:”當有人問我:‘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。如果對于這些優秀的醫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,它也是足夠優秀的。”

挽救生命的CFD模擬建模

與人體循環系統LPN簡化模型進行耦合的BCPA三維模型。

在ANSYS FLUENT和Marchal主管帶領的仿真專家們的幫助之下,醫生和外科醫生們,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。

關于建模

當前,對于醫生來說,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。”市場上有一些可以將生物醫學掃描轉換為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脈的模型,工程師就可以建立多區域模擬從而模擬血液流動。

關于模型簡化

人體循環系統中的大部分都可以被簡化為一種集成參數網絡(LPN)以建立適當的邊界條件。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,比如奔跑、騎車和工作。這就意味著醫生能夠評估術后患者可以進行哪種活動。

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。”對于心臟手術來說,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。人體循環系統會影響模擬的邊界條件,因此不能忽略它們的作用。”

得力于這些簡化和改進的計算軟件,模擬的速度非常快。對于HLHS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化的出現,完成模擬只花費幾分鐘。

若讓醫生使用CFD模擬,必須實現自動化

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是讓醫生去使用這種模擬。”我們需要說服醫生,使他們相信這是一種可行的選擇。許多外科醫生只相信其他的外科醫生。然而我們正與一些認可我們結果存在價值的先行者并肩作戰。一旦我們說服醫生,我們就開發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境中,不經過培訓醫生就能使用軟件。為此,CFD模擬的建立必須完全自動化。

“醫生沒有多少時間進行學習。他們忙于挽救生命。不幸的是,開發不出現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生在使用模擬軟件治療特定的疾病或者規劃某些手術。但是它必須首先通過相關規定,”Marchal主管說。

他補充道:”我們想為醫生提供的是一款能夠給出建議和優化程序的工具。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學決策的培訓。但是使用獨立的醫學程序,例如強大ANSYS FLUENT,醫生和外科醫生能夠更快地制定更優的決策。”

同時也希望這款軟件可以讓醫生在患者身上執行虛擬的手術。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實。

對于仿真技術來說,為醫學工作者研發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。”我們的挑戰是缺乏生物工程師隊伍。對于女性尤其如此。我們擁有太多、太多的醫生,但是沒有足夠的生物工程師。如果一些想要成為醫生的人將來以生物工程師的身份做著與醫生類似的工作,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。”

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