CFD模拟拯救患有致命心脏缺陷的婴儿

2016-09-02 by:CAE仿真在线来源:互联网

ANSYS Fluent可以挽救婴儿的生命

BCPA手术模拟:对比剂注入上腔大静脉的速度云图

世界各地都会出现天生就患有一种被称为左心室发育不全综合征(HLHS)的心脏病的孩子。患有这种先天性疾病的孩子只有一个心室是正常的。在美国,每年都会有960个新生儿罹患这种心脏病。为了治愈患有这种病的孩子,他们需要在三岁之前进行三次手术,分别是Norwood、BCPA和TCPC手术。

这些手术存在很大风险,许多孩子在手术的过程中失去了生命。如今,采用ANSYS Fluent CFD模拟来测试手术方式,医生们能够获取更多的信息从而选择最优的手术方式。这些模拟可以增加患者的存活率并减少并发症。

这种新型医学模拟方法需要使用计算机完成测试过程。生物工程师需要将生物医学扫描转换为CAD模型,然后对患者进行针对性的治疗模拟。ANSYS公司医疗保健行业主管Thierry Marchal先生说:“曾经有一次置身手术室,与外科医生有过交谈,亲眼目睹了瓣膜置换手术,这就是我们如此努力的开发这种模拟软件的原因。”

ANSYS公司资深流体产品线经理Gilles Eggenspieler博士补充道:“当啊啊有人问我:‘模拟准确吗,或我们能依靠它吗?’我就给他们讲诉那些患病孩子的故事。如果对于这些优秀的医生来说模拟足以测试能挽救生命的手术,那么对于产品本身来说,它也是足够优秀的。”

挽救生命的CFD模拟的建立

进行阶段2的手术之前,与人体循环系统LPN简化模型进行耦合的BCPA三维模型。

(病理解剖图源自美国加利福尼亚州帕罗奥图市Lucile Packard儿童医院。)

在ANSYS Fluent和Marchal主管带领的仿真专家们的帮助之下,医生和外科医生们,以及通过米兰理工大学组织的研究专家团队使用计算机测试手术方式以帮助治疗HLHS患者。

当前,对于医生来说,这种模拟过程过于复杂。工程师们打算改进软件中的几何结构以研究每一个由医生定义的手术方式。这些专家能够获取特定患者的任何生物医学扫描,并将其转换为三维几何结构。扫描获得的是一种黑白图像。图像上的黑、白色之间阶梯过渡,这种阶梯变化的灰色可以用来识别目标外形(器官、动脉等等)。通过校准图像的灰色谱,可以将图像精准地转换为三维模型。“这叫做分段,”Marchal主管说。“市场上有一些可以将生物医学扫描转换为CAD模型的软件可供工程师选择,比如Simpleware和Materialise。”

一旦建好心脏和心脏大动脉的模型,工程师就可以建立多区域模拟从而模拟血液流动。

人体循环系统中的大部分都可以被简化为一种集成参数网络(LPN)以建立适当的边界条件。此外,这种简化将减少进行模拟的计算时间,这样就可测试更多的手术方式。

“经常有人告诉我们这种模拟过于简化了人体。我们没有考虑血细胞和小动脉。但是对于模拟整个人体来说,这些并不重要;我们的目标是挽救生命。如果我们能够做到挽救生命,那我们就可以对人体模型进行简化。如果我们需要比较复杂的模型,那么我们也可以建立更加复杂的模型。但是期限之内,我们试着使用最小的计算量获得最大的挽救生命的可能性,”Marchal主管表示。

为此,可以按照需求将LPN简化或复杂化。工程师们使用它来表示人体,使用它作为模拟的边界条件。对LPN进行修改,可以模拟患者不同的活动状态,比如奔跑、骑车和工作。这就意味着医生能够评估术后患者可以进行哪种活动。

“LPN的身体模型并不精确,但是LPN的边界条件是精确的,”Marchal主管解释道。“对于心脏手术来说,腿和大脑并不重要。但是不能忽略它们的作用,否则将丢失输送到它们那儿的血液。人体循环系统会影响模拟的边界条件,因此不能忽略它们的作用。”

得力于这些简化和改进的计算软件,模拟的速度非常快。对于HLHS患者来说,出生后几天就要进行第一次手术。浪费的每一天都会增减患者的风险。几年前,这种模拟需要花费好几天。然而随着云计算和模拟优化的出现,完成模拟只花费几分钟。

医生们会建立他们自己的CFD模拟吗?

TCPC手术模拟:对比剂注入上、下腔静脉的速度云图

计算机测试的一个早期挑战是让医生去使用这种模拟。“我们需要说服医生,使他们相信这是一种可行的选择。许多外科医生只相信其他的外科医生。然而我们正与一些认为我们的结果存在价值的先行者并肩作战。一旦我们说服医生,我们就开发一种供他们使用的简化版软件,这样他们自己就可以在计算机上研究手术,”Marchal说。

因此,ANSYS计划将他们的仿真专家的知识转换到软件环境中,不经过培训医生就能使用软件。为此,CFD模拟的建立必须完全自动化。

“医生没有多少时间进行学习。他们忙于挽救生命。不幸的是,开发不出现错误的软件是很困难的。尤其对于人类这样复杂的生命体系。因此我们把大部分工作都放在了开发一款具有病理专用界面的软件。或许几年后我们就可以看到一些医生在使用模拟软件治疗特定的疾病或者规划某些手术。但是它必须首先通过相关规定,”Marchal主管说。

他补充道:“我们想为医生提供的是一款能够给出建议和优化程序的工具。然而,我们永远不会下定决策。模拟提供额外信息,我们的专家没有进行过医学决策的培训。但是使用独立的医学程序,例如强大ANSYS Fluent,医生和外科医生能够更快地制定更优的决策。”

同时也希望这款软件可以让医生在患者身上执行虚拟的手术。不幸的是,做到这一点是非常困难的,因为他们必须操作患者的动脉和心脏的几何结构。尽管如此,Marchal还是相信终有一天虚拟手术将成为现实。

对于仿真技术来说,为医学工作者研发一款成熟的独立工具,Marchal主管给出的建议是说服更多的学生成为生物工程师。“我们的挑战是缺乏生物工程师队伍。对于女性尤其如此。我们拥有太多、太多的医生,但是没有足够的生物工程师。如果一些想要成为医生的人将来以生物工程师的身份做着与医生类似的工作,那么这会是多么的有意义啊。我认为这样他们将会挽救更多的生命。”

模拟能在限期内挽救生命

无论他是喷气式飞机的机翼,还是儿童的心脏,模拟都能够挽救生命。对于HLHS来说,这中手术模拟将会挽救许多新生儿的生命(在美国每年会是960个新生儿)。此外,这种研究能为其它手术治疗的模拟开启先河,从而挽救更多的生命。

“通过收集数百患者的几何数据,我可以革新卫生保健过程,即在对真正的患者进行治疗之前完成精确的测试程序。我们可能无法应对HLHS和心血管疾病,但是我们能更加迅速、便捷地做出反应,”Marchal主管说。

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