【应用】ANSYSFluent帮助挽救婴儿生命

2016-10-13 by:CAE仿真在线来源:互联网

全世界范围内,有极少数儿童在出生时会患有一种名为左心发育不良综合征 (HLHS) 的心脏病。这种先天性心脏缺陷导致只有一个心室能正常工作。在美国,每年有960名新生儿会受到这种疾病的影响。要想治疗这种疾病并存活下来,儿童需要在三岁前做三次手术(Norwood、BCPA和TCPC)。

这些手术存在极大的风险,很多儿童都无法存活下来。然而,医生利用ANSYS Fluent CFD仿真来测试手术方案,就能获得更多信息以便选择最佳的手术方案。这种仿真技术能够提高患者的存活率并减少并发症。

这类新的医疗仿真方法称为In silico测试,它需要生物工程师将生物扫描转化为用来仿真特定患者临床治疗的CAD模型。ANSYS的医疗保健行业总监Thierry Marchal指出:“与外科医生交流并在手术室观看瓣膜置换术,这个经历让我明白了我们为什么要如此努力地开发仿真软件。”

ANSYS 的高级流体产品线经理Gilles Eggenspieler博士补充道:“当有人问我:‘仿真是否精确,或者我们可以依靠它吗?我会给他们讲关于这些孩子的故事。如果优秀的医生能够利用仿真技术来测试挽救生命的外科手术,那么这些仿真技术想必能同样满足他们的产品需求。”

建立挽救生命的CFD仿真

术前第2阶段BCPA的3D模型以及人体循环系统的LPM简化模型。由美国加利福尼亚州Palo Alto地区Lucile Packard儿童医院提供的患者解剖示意图。

在ANSYS Fluent工具和Marchal仿真专家的帮助下,医生以及米兰理工大学的众多研究专家利用In silico测试来协助治疗HLHS患者。

目前,仿真过程对于医生来说过于复杂,医生无法独立完成。工程师会修改软件中的几何结构,以研究由医生设定的每种手术方案。

上述专家则执行生物医学扫描并转换为针对特定患者的3D几何结构。扫描结果为黑白图片。随后,利用灰度等级变化确定图片中对象(器官、动脉等)的形状。通过标定图像的灰度谱来生成精确的3D图像表示。Marchal指出:“这叫做分段。有几种软件可供生物工程师进行选择,以处理生物扫描到CAD的转换过程。”

对心脏和心脏主动脉进行建模后,工程师就可以建立多域仿真来模拟血液流动。

将大部分的循环系统简化为集中参数网络 (LPN) 以创建正确的边界条件。此外,通过简化还可缩短仿真处理所需的计算时间,以便测试更多的手术方案。

Marchal表示:“我们经常要求做人体模型简化的仿真。我们不考虑血细胞和小动脉。模拟整个人体并不重要,我们的目标是挽救生命。如果可以做到,我们就会简化模型。如果需要让模型更复杂,我们就会让它更复杂。最终,我们想要利用最少的计算量获得最大的确定性,从而挽救生命。”

为此,可根据需求将LPN做得尽量复杂或尽可能简单。工程师用它来代表人体并馈送仿真的边界条件。LPN还可进行修改以仿真不同的患者活动,包括跑步、骑车和工作等。这意味着医生能够评估手术后患者可以参加哪些活动。

Marchal 解释说:“LPN从整个人体范围来说并不精确,但在边界条件上十分精确。腿和大脑对于心脏手术来说不重要,但不能忽略它们,否者模型就会缺失必须输送到这些器官的那部分血液。循环系统会影响仿真的边界条件,因此不能被忽略。”

得益于模型的简化以及计算软件的改进,仿真能够计算得更快速。对于HLHS患者来说,第一次手术必须在出生几天后进行。每浪费一天都将会加大患者的风险。几年前,这种仿真需要几天来完成。不过,凭借云计算和仿真优化,现在只需要几分钟的时间。

医生能建立自己的CFD仿真吗?

TCPC手术的造影剂注入上腔静脉和下腔静脉仿真。为速度进行了颜色编码。

初期阶段,In silico测试所面临的一大挑战在于让医生能够接受它。Marchal 解释道:“我们需要告诉医生这是一种可行的方法。很多外科医生只相信其他外科医生。因此,我们与一些看重我们产品的先驱者进行合作。一旦说服了医生,我们便可开发软件的简化版本,让医生自己研究silico手术。”

为此,ANSYS 计划将仿真专家的知识转化为医生不用培训就能使用的环境。这样,CFD仿真建立过程必须完全自动执行。

Marchal指出:“医生没时间学习这些。他们要救助生命。遗憾的是,开发不能出错误的软件并非易事,尤其是对于如此复杂的人体更为如此。因此,我们投入大量工作来开发面向病理学的专用界面。或许在几年后我们会看到有些医生使用仿真软件治疗某种疾病或制定特定的手术计划。但是,首先必须通过法律法规这关。”

他补充道:“我们想给医生提供一种制定和优化治疗程序的工具。然而,我们不可能做决定。仿真能提供更多信息;我们的专家没经过专业培训,无法制定医疗决策。但是,医生凭借由ANSYS Fluent支持的独立医疗程序可做出更好更快的决定。”

我们希望该软件能够支持医生对患者做虚拟手术。但这存在相当大的难度,因为他们必须操纵患者动脉和心脏的几何结构,不过,Marchal相信虚拟手术有一天一定会出现。

为了让仿真技术发展成为能被医疗专业人士所使用的独立工具,Marchal建议说服更多的学生成为生物工程师。“我们的困难在于缺乏生物工程专业的员工,尤其是缺乏这方面的女性技术人员。我们有太多医生,但生物工程师的数量不足。如果这些未来医生中的一些人能成为生物工程师,从事类似于医生的工作,将产生非常深远的影响。我是说他们将能挽救更多生命。”

最终,仿真将会挽救生命