【达索数字心脏项目】从影像到仿真：达索系统数字心脏的建模方法概述
引言
引言
数字心脏项目是达索系统“Virtual Human”愿景的重要组成部分。借助 3DEXPERIENCE 平台的多物理仿真能力，它将影像数据、材料科学与数值计算相结合，构建出一个能够真实跳动、响应刺 激、耦合血流的心脏虚拟模型，可以让研究者在虚拟环境中观察病理变化，测试人工瓣膜或支架的性能，预测个体化治疗效果，从而加速科学探索与临床应用的融合。
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心脏模型的建立
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心脏模型的建立
达索系统数字心脏的几何模型建立以医学影像为基础，通过多源MRI数据重建心脏的解剖结构，涵盖心房、心室、瓣膜及主要大血管。模型首先在收缩期高分辨率图像上分割关键腔室结构，再结合低分辨率的时间序列图像恢复舒张期形态，最终形成一个个体化、解剖精确且计算友好的三维心脏几何。为保证几何连续与参数可控，模型采用CATIA的子划分曲面与线框链接机制，使房室交界、瓣环及壁厚保持一致。瓣膜部分根据文献模板和影像信息重构，腱索通过半自动优化生成以保证瓣叶对合；乳 头肌、瓣环等关键解剖特征根据受试者形态调整。心房与心室在几何上通过钝化边面连接，流体腔体由心内膜与封口面围成，为后续血液压力–体积仿真提供基础。最终形成的数字心脏模型实现了从影像到参数化几何的转化，为有限元网格划分、材料定义及多物理耦合仿真奠定了统一、稳健的结构基础。
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有限元模型
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有限元模型
达索系统数字心脏的有限元模型建立以四腔心脏几何为基础，通过系统化的网格划分、接触定义、边界条件与纤维方向赋值，实现了从解剖结构到计算模型的完整转化。模型采用不同类型的有限元单元以匹配组织特性：心肌与大血管使用实体单元，瓣膜与腱索采用适合薄膜与拉索力学特征的单元类型；腔体通过静水流体腔，实现血液压力与体积的耦合。房室及瓣膜连接处以面–面耦合处理，提升数值稳定性。外部边界条件模拟心包约束，使外膜节点可切向滑动但在法向具有弹性支撑。各向异性心肌的纤维方向场通过规则算法自动生成，确保纤维从外膜至内膜连续旋转，反映真实的心肌结构特征。最终的有限元模型兼具解剖精度与数值稳健性，为后续材料赋值、主动收缩及多物理耦合仿真提供了可靠的计算基础。
技术流程细节
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心脏模型的建立
心脏模型的建立
1) 影像驱动的几何重建
采用匿名化 MRI：一次高分辨率 3D（收缩早期）、多组高分辨率 2D 时间序列（四腔/三腔/二腔视图）、以及一组低分辨率 4D；
在收缩期高分辨率 3D上分割 LV、RV、LA、RA 及主动脉/肺动脉流出道；用 2D 动态 + 低分辨率 3D 补齐舒张期腔室形态；
瓣膜几何因影像不可见，按文献平均解剖参数生成，并对瓣环、乳 头肌与部分可见腱索做个体化微调；
起始仿真几何设为舒张 70%：先在收缩期构建“细节完备”的几何，再形变匹配至舒张 70% 的目标分割；
模型包含四腔与主动脉弓、肺动脉干、上腔静脉等关键大血管的几何表示。
2）CATIA 子划分曲面 + 参数化形变
几何以 CATIA 子划分曲面/样条为主：支持参数化变形、手工局部形变与整模同比缩放，便于从“标准模型”快速定制到个体或人群层面；
采用几何链接机制保持部件一致性。
3）心房/心室与连接关系的建模原则
心房（LA/RA）作为独立部件建模，在卵圆窝处做绑定；
按解剖与传导特征将心房划分为 25 个区域（用于后续方向/材料赋值）；
心室（LV/RV）在几何上整体连续，后续可在有限元中通过不同元素集区分左右心室功能；
房室与瓣环交界采用“钝化边”与面-面连接思路，提升几何与后续网格/接触的稳健性。
4) 瓣叶与腱索的可用性建模
二尖瓣/三尖瓣先按文献模板生成，再依据影像对瓣环、乳 头肌、部分腱索个体化；
余下腱索的数量与插入点通过半自动优化反复仿真，确保对合充分且解剖合理；
采用统一厚度作为简化。
5）束支与浦肯野网络
基于心内膜几何与少量参数，使用分形树算法自动生成左/右束支、左前/后分支及浦肯野网络，并在浦肯野-心肌连接点终止。
6）面向血流耦合的腔体边界准备
以光顺的心内膜面结合在入口/出口处的切割封口面（表面单元）围成静水流体腔，实现腔压-容积-流量闭环耦合。
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建立有限元模型
建立有限元模型
1) 几何与部件组织
在 3DEXPERIENCE 平台，基于四腔心脏完整几何建有限元模型。LV/RV 几何连续，用不同单元集区分功能区；LA/RA 为独立部件，于卵圆窝相连。房室交界用“钝化边面—面连接”，使心房、心室及瓣膜连接稳定，避免数值奇异性。
2）网格划分与单元类型
心肌组织和主要血管采用C3D10 四面体实体单元；
瓣叶使用C3D8I 八节点实体单元；
腱索采用T3D2 线单元；
浦肯野传导网络以DC1D2 线单元；
腔体边界采用SFM3D3/4 表面单元。
3）流体腔体定义与耦合
心腔血液采用静水流体腔的方式；
腔体由光顺的心内膜与封口面构成，通过参考点—分布式耦合将压力或体积变化施加于边界节点，实现腔压—容积—流量的动态交互，用于模拟血液充盈与射血过程。
4）接触定义与约束条件
模型采用 Abaqus/Explicit 的“General Contact”通用接触算法，将所有外表面纳入接触检测范围，以自动捕捉复杂几何间的潜在接触，并排除腱索自接触及任意表面与腔体封口面接触；
Abaqus/Explicit 默认接触属性为法向硬接触、切向无摩擦。
5）外部约束与心包效应
心包的机械约束通过在心外膜施加生理性边界条件实现：每个外膜节点与一虚拟连接器相连，允许切向滑动但在法向方向具有弹性支撑。支撑刚度自心基底向心尖递增；
该约束条件由 Python 脚本自动生成并导入。
6）纤维方向与局部坐标场定义
对心室，采用规则算法：通过热传递分析确定壁厚方向与心尖–心基方向，并在外膜至内膜间设置–60°至 +60°的纤维旋转角度；乳 头肌的纤维方向被设定为沿其长轴方向；
对心房，基于几何划分的 25 个分区赋予局部纤维方向，用于反映电传导与机械应变的区域差异；
纤维方向生成过程由模型应用程序自动执行，计算完成后，可在结果分析器中以 ORIENT 变量可视化纤维方向分布。
