SIMULIA 很高興與工程領(lǐng)導(dǎo)者和學(xué)者合作，利用模擬功能幫助塑造行業(yè)的未來(lái)。我們有幸采訪(fǎng)了 4RealSim，這是一家專(zhuān)門(mén)提供高端數(shù)值分析服務(wù)的公司。在采訪(fǎng)中，我們討論了 4RealSim 如何在 SimInSitu EU 項(xiàng)目中使用 Abaqus。SimInSitu 旨在通過(guò)將先進(jìn)的組織重塑算法與個(gè)性化的虛擬心臟建模方法相結(jié)合，開(kāi)發(fā)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬方法來(lái)預(yù)測(cè)原位組織工程心臟瓣膜 (TEHV) 的短期和長(zhǎng)期行為。該方法將專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)用于預(yù)測(cè)可生物降解心臟瓣膜從最初的合成支架到完全重塑和功能性瓣膜的復(fù)雜轉(zhuǎn)變過(guò)程。

問(wèn)：請(qǐng)向我們簡(jiǎn)單介紹一下人類(lèi)的心臟。

答：人的心臟是我們的泵血機(jī)器。從生命的第一刻起，我們的泵就每天 24 小時(shí)不間斷地工作，直到我們死去。心臟是一塊巨大的雙面肌肉，不斷泵血。心臟有左側(cè)和右側(cè)。左側(cè)是含氧血液泵入身體的地方，通過(guò)主動(dòng)脈進(jìn)入四肢和大腦。這是高壓側(cè)。右側(cè)是血液從身體返回時(shí)攜帶少量氧氣的地方，隨后被泵入肺部。

右側(cè)是血液回流的地方，處于低壓區(qū)。每側(cè)有兩個(gè)獨(dú)立的腔室?？偣灿兴膫€(gè)腔室，每個(gè)腔室都有一個(gè)流入口和一個(gè)流出口。所有這些開(kāi)口都由瓣膜控制。人類(lèi)心臟有四個(gè)心臟瓣膜：左側(cè)（主動(dòng)脈瓣膜）和右側(cè)（肺動(dòng)脈瓣膜）。

我們正在討論的主動(dòng)脈瓣膜對(duì)心臟瓣膜疾病患者來(lái)說(shuō)是最重要的。血液從主動(dòng)脈瓣膜離開(kāi)左心室，高壓直接進(jìn)入主動(dòng)脈。血液從主動(dòng)脈離開(kāi)心臟，進(jìn)入身體，再上行至大腦。因此，主動(dòng)脈瓣膜是其整個(gè)生命周期中承受最大負(fù)荷的心臟瓣膜，無(wú)論是血流量還是壓力差，而且承受的物理負(fù)荷都非常大。

問(wèn)：心臟瓣膜破裂有多常見(jiàn)？發(fā)生這種情況會(huì)對(duì)人造成什么影響？

答：主動(dòng)脈瓣有三個(gè)小部分，稱(chēng)為瓣葉。這些瓣葉非常靈活，像翼一樣，可以輕松打開(kāi)并讓血液通過(guò)。另一方面，它們也很容易關(guān)閉，以防止血液回流。隨著時(shí)間的推移（隨著年齡的增長(zhǎng)），它們會(huì)鈣化，從而阻止瓣葉輕松打開(kāi)和關(guān)閉。

鈣化會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加，這是人體、血管和動(dòng)脈中典型的病理事件。不難想象，一旦你看到心臟鈣化在這些非常柔韌的組織中積累，心臟瓣膜就無(wú)法再正常運(yùn)作了。瓣膜很難打開(kāi)，而這需要打開(kāi)，因?yàn)檠盒枰M(jìn)入主動(dòng)脈。這導(dǎo)致心臟工作過(guò)度，最終需要更換瓣膜。瓣膜最初是用手術(shù)裝置更換的。這些環(huán)帶有可以打開(kāi)和關(guān)閉的小塑料或金屬結(jié)構(gòu)，但需要進(jìn)行心臟直視手術(shù)才能將它們放入人體?，F(xiàn)在，大約 20 年后，一種新的系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)。經(jīng)導(dǎo)管裝置可以通過(guò)經(jīng)導(dǎo)管放入體內(nèi)，用導(dǎo)管裝置進(jìn)入你的股動(dòng)脈。這就是所謂的 TAVI 裝置。

圖 1：Sapien-3 TAVI 設(shè)備的 FEM 模型

問(wèn)：SimInSitu 如何嘗試?yán)每缮锝到饩酆衔锝鉀Q人工瓣膜的問(wèn)題？

答：現(xiàn)在出現(xiàn)了一類(lèi)新的設(shè)備。即使是替代設(shè)備，這些 TAVI 設(shè)備，隨著時(shí)間的推移，也會(huì)變質(zhì)、失去性能，必須更換。如果患者使用這些設(shè)備的時(shí)間超過(guò) 10-15 年，您該怎么辦？最好的解決方案是通過(guò)組織恢復(fù)功能，如果您的身體可以幫助或可以開(kāi)發(fā)解決方案，恢復(fù)心臟瓣膜的原始功能。在過(guò)去的 15 年里，出現(xiàn)了一種使用可生物降解合成材料的新策略。

一旦將其放入體內(nèi)，它就會(huì)吸引某些類(lèi)型的細(xì)胞開(kāi)始滲透并開(kāi)始產(chǎn)生新組織，同時(shí)合成材料開(kāi)始生物降解。這是一個(gè)平衡的過(guò)程，合成組織會(huì)隨著時(shí)間的推移而降解和吸收，同樣，與此同時(shí)，正在生成的新組織。從理論上講，你可以構(gòu)建任何你想要的幾何形狀，你的身體可以重新創(chuàng)建新的結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)有前途的策略，但具有挑戰(zhàn)性。如果它是你的組織，那么它就不會(huì)再有惡化的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗且粋€(gè)活體生物。

圖 2：使用生物可吸收彈性植入物進(jìn)行原位心臟瓣膜組織工程——從材料設(shè)計(jì)到綿羊 12 個(gè)月的隨訪(fǎng)

問(wèn)：SimInSitu 在嘗試將這項(xiàng)突破性技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)時(shí)遇到了哪些挑戰(zhàn)？

答：這項(xiàng)技術(shù)是由幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的，但也有公司正在研究該課題，他們已經(jīng)研究該技術(shù)問(wèn)題好幾年了，開(kāi)發(fā)產(chǎn)品并在不同的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。所有這些高風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品都需要在臨床試驗(yàn)中測(cè)試才能上市。這是一個(gè)非常漫長(zhǎng)、危險(xiǎn)且昂貴的過(guò)程。我們開(kāi)發(fā) SimInSitu 的想法是使用計(jì)算方法幫助醫(yī)療器械公司更快地開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。提供計(jì)算方法和模擬工具，允許在虛擬患者環(huán)境中的計(jì)算機(jī)環(huán)境中測(cè)試設(shè)備和醫(yī)療保健解決方案，從而加速開(kāi)發(fā)過(guò)程。三年半以來(lái)，我們與使用該技術(shù)并在這些可生物降解技術(shù)方面有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)療器械公司合作，開(kāi)發(fā)出可以幫助他們長(zhǎng)期更快、更安全地開(kāi)發(fā)這些產(chǎn)品的工具。

圖 3：概念建模方法用于解釋支架降解和新組織生長(zhǎng)（魯汶天主教大學(xué) | EMSE）

問(wèn)：您如何使用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)建模和模擬來(lái)幫助解決可生物降解部分的挑戰(zhàn)？

答：我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目中的主要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)兩個(gè)平臺(tái)。平臺(tái)實(shí)際上是一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，可用于模擬這些設(shè)備在特定患者體內(nèi)的演變方式。我們想要為兩類(lèi)設(shè)備開(kāi)發(fā)這些平臺(tái)。在這兩個(gè)平臺(tái)中，我們需要確保開(kāi)發(fā)出正確的材料模型，以模擬生物降解和修復(fù)過(guò)程。我們正在模擬一個(gè)生物過(guò)程。這種材料正在發(fā)生變化：它在生長(zhǎng)，它的尺寸和機(jī)械性能也在改變。另一組是患者模型，我們有一個(gè)小組通過(guò)臨床中心收集真實(shí)的患者數(shù)據(jù)，并使用這些數(shù)據(jù)從接受傳統(tǒng) TAVI 治療的真實(shí)患者中生成患者特定模型。

圖 4：植入左心室和主動(dòng)脈弓患者特定模型的 TAVI 裝置的 FEM 模型（4RealSim | UniPa）

我們可以看到這些經(jīng)典設(shè)備隨時(shí)間推移的性能，并可以使用這些數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建和驗(yàn)證我們的模型。還有不同類(lèi)型的計(jì)算領(lǐng)域：材料建模、機(jī)械結(jié)構(gòu)建模和血流。由于它是一個(gè)瓣膜，因此血流和與這些瓣膜組件的相互作用是模擬的關(guān)鍵要素。雖然聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。流體結(jié)構(gòu)相互作用 (FSI) 是最大的構(gòu)建模塊之一，但也是這些模型中最大的挑戰(zhàn)之一，因?yàn)樗鼈儗?duì)計(jì)算的要求很高。

圖 5：分層 VVUQ 概念在 SimInSitu 項(xiàng)目中建立可信度

SimInSitu 項(xiàng)目的一個(gè)主要目標(biāo)除了為復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的模擬工具外，還在于建立這些模型的可信度。這通常是通過(guò) VVUQ 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，VVUQ 代表驗(yàn)證、確認(rèn)和不確定性量化，這是一種結(jié)構(gòu)化方法，可確保使用計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行的預(yù)測(cè)是可信的。我們?cè)?VVUQ 領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)大大增加，我們與其他行業(yè)（如航空航天和汽車(chē)）進(jìn)行了討論和分享。我們意識(shí)到，在公司或研究機(jī)構(gòu)的日常工作中，人們?nèi)狈?duì)這些方法的深入理解和經(jīng)驗(yàn)。我們 4RealSim 正試圖通過(guò)提供專(zhuān)門(mén)的培訓(xùn)來(lái)改善這種情況。

問(wèn)：針對(duì)特定患者進(jìn)行一系列測(cè)試是否還會(huì)有另一層復(fù)雜性？

答：我們使用的方法并沒(méi)有什么不同，無(wú)論是普通心臟還是特定心臟。不同之處在于，基于可用的成像數(shù)據(jù)，特別是高分辨率 MRI 和高分辨率 CT 數(shù)據(jù)，我們可以更多地訪(fǎng)問(wèn)特定于患者的數(shù)據(jù)。這意味著我們可以為特定患者重建精確的解剖結(jié)構(gòu)。在一個(gè)心動(dòng)周期、一次心跳期間，我們可以拍攝多個(gè)快照。借助某種 CT MRI 技術(shù)，我們可以看到心臟的變化以及它如何變大和變小，我們可以使用這些數(shù)據(jù)重建該患者的具體解剖結(jié)構(gòu)。我們還可以根據(jù)成像數(shù)據(jù)為特定患者模擬這些瓣葉中的鈣化情況。這需要大量的自動(dòng)化過(guò)程。因此，整個(gè)模型生成都是根據(jù)臨床數(shù)據(jù)、CT MRI、M 數(shù)據(jù)完成的，然后經(jīng)過(guò)所謂的分割模型生成，然后你需要構(gòu)建這個(gè)計(jì)算機(jī)模型并在其上放置正確的邊界條件。

問(wèn)：與其他類(lèi)型的仿真軟件相比，你是否發(fā)現(xiàn)了使用一種類(lèi)型的仿真的偏好或價(jià)值?

答：我們?cè)谶@個(gè)聯(lián)盟中有多個(gè)軟件模擬，包括 SimInsitu，但我想說(shuō) 80%的工作是在結(jié)構(gòu)層面。因此，有限元方法，在這里，我們專(zhuān)門(mén)使用 Abaqus，因?yàn)樗诠I(yè)界和學(xué)術(shù)界都得到了很好的認(rèn)可，特別是因?yàn)樗谧映绦蚓幊谭矫婢哂芯薮蟮撵`活性，特別是用戶(hù)定義的材料。Abaqus非常強(qiáng)大，我們所有參與有限元建模的合作伙伴都使用Abaqus。那是我們的工作之本。

問(wèn)：告訴我你正在做的這項(xiàng)工作有朝一日會(huì)對(duì)世界產(chǎn)生什么影響，你認(rèn)為夢(mèng)想中的場(chǎng)景是什么?

答：理想的情況是，我們已經(jīng)建立了一種工作方式，并建立了這些模型，得到了業(yè)界和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。所以有一天，我們可以開(kāi)發(fā)一種產(chǎn)品，也可以為監(jiān)管機(jī)構(gòu)提供大量的計(jì)算數(shù)據(jù)。如果我們能做到這一點(diǎn)，那將是我能預(yù)見(jiàn)的最大成功故事。我無(wú)法展望未來(lái)，并現(xiàn)實(shí)地看到我們可以在計(jì)算機(jī)上解決所有問(wèn)題。我總是認(rèn)為這必須是真實(shí)臨床數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的混合。

但如果這個(gè)數(shù)量可以增加，我們有了方法，也有了所有的外部利益相關(guān)者，那么這將是一個(gè)巨大的成功。我非?？隙ㄎ覀兡茏龅竭@一點(diǎn)。在如此多的站點(diǎn)、如此多的項(xiàng)目中，所有工作都在進(jìn)行，發(fā)展成為所謂的良好模擬實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展成為 ASME 的官方標(biāo)準(zhǔn)，涉及計(jì)算方法、醫(yī)療設(shè)備、我們?cè)谶@里的工作以及其他聯(lián)盟的工作。我對(duì)這條道路的進(jìn)展非常樂(lè)觀(guān)，并將在未來(lái)做出巨大貢獻(xiàn)。