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ANSYS Fluent帮助挽救婴儿生命

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  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。

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。

  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。”

  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。

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。

  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。

  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。

  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。”

  无论是飞机机翼还是儿童心脏治疗领域,仿真都能挽救生命。就HLHS心脏病而言,这些手术仿真将挽救很多新生儿的生命(在美国每年这样的新生儿有960例)。此外,这项研究还将向其它外科疗法打开仿真的大门,救治更多的宝贵生命。

关于ANSYS, Inc.

  ANSYS成立于1970年,通过仿真驱动产品研发,快速、准确、可靠的工程仿真技术帮助客户掌握和理解最为复杂的设计难题。我们的技术能够让各个行业的机构准确预测产品在现实中的真实性能。客户相信我们提供的创新软件能够帮助他们确保产品的完整性并实现商业价值...欲了解更多详情,敬请访问www.ansys.com.cn。

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来源:Ansys
FluentMarc云计算
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首次发布时间:2022-08-18
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