达索系统的CAD和CAE能救命

寂静回声

本文接续《达索系统活体心脏项目10年传奇》http://jixietop.top/thread-62324-1-1.html


本文为《2024国际人体虚拟孪生大会》系列篇章之一，主要内容为波士顿儿童医院的David HOGANSON医生团队使用CAD/CAE技术来做手术前准备，拯救生命的故事。

在第二天开幕致辞中，Steve Levine总结了第一天的亮点并预览了第二天的主题。
Steve Levine致辞的主要内容如下：
各位朋友，今天我非常荣幸能够在这里迎接大家，来到科学周的第三天，也就是第十届国际人体虚拟孪生体验研讨会的第二天。如果这是您第一次加入我们，我是史蒂夫·莱文，将在这两天担任您的主持人。我会尽量简短地介绍今天的议程，因为接下来这两天内，将有超过40位来自过去和现在的杰出声音与我们分享他们的见解。我们有一个非常丰富的日程安排。
（虚拟孪生）这项技术不仅帮助我们建造了一些最令人惊叹的产品来丰富我们的生活，而且现在也能够直接改善我们自己。这是一个强有力的信息，所有到场的人都深刻体会到了这一点。

对于刚刚加入我们的朋友们来说，让我快速总结一下昨天的内容。由于时间有限，我不会详细回顾，但幸运的是，如果您错过了任何部分，所有的内容都已经被录制下来，您可以回去重播任何错过的地方。
昨天的亮点之一是一个深入的技术讨论会，回顾了最新的“活体心脏”模型。这个项目已经进行了十年，充分利用了3DEXPERIENCE平台的所有功能，真正首次全面拥抱了该平台的能力。那些有幸在上午预览过这个模型的人知道这对整个领域来说是多么重要的一步。今天我们将继续探讨这一主题，并且会有更多的展示。
今天我们将更多地关注主旨演讲和讨论，减少一些幻灯片的使用，但仍会有大量的技术内容。请做好准备，这里有很多高质量的内容等待着您。我们还有三个专题讨论小组，将在适当时候介绍。此外，还有一个较长的社交休息时间，这是每个人最喜欢的环节，我们可以讨论刚刚学到的东西，结识新朋友，形成新的合作关系。
第一天主要是对过去十年项目的回顾和庆祝，而今天则是我们踏上新征程的开始——从创建人体单个器官的虚拟孪生到我们的新使命：使人类群体能够建立整个人体的虚拟孪生，并支持这一旅程。
在医疗领域中，很难找到像这样一个项目，它让73个不同国家的人们聚集在一个共同的技术和健康愿景周围。这是一种独特的未来愿景，在这个世界上的任何一个地方，人类都不再受限于地理位置，我们必须在实现人口健康的道路上接纳这一点。我们正在为这样的未来设定舞台。
下一代年轻人将成为这项技术的接受者和实施者，很高兴能看到他们数百名在线上参加。我们还有一些执业医生加入了我们，虽然我们没有特别询问这一点，所以我无法提供具体的数据，但我们会在接下来的时间里听到他们昨天的声音。
我期待着与大家一起度过这充满启发性的两天，探索人体虚拟孪生体验的可能性。感谢大家的到来，让我们一起开启这段激动人心的旅程吧。
David HOGANSON是波士顿儿童医院的一名心脏外科医生，也是哈佛医学院 3D Vis项目主任。David Hoganson博士的主题演讲为《重新定义术前规划：面向特定患者的3D建模、虚拟手术和计算流体动力学》，他展示了3D建模、虚拟孪生和计算流体动力学如何彻底改变复杂儿科心脏病的手术规划。通过实现针对患者的精确仿真，这种突破性的方法正在改善结果、预防并发症，并为儿童个性化心血管护理树立新标准。
David HOGANSON演讲的主要内容如下：

今天我想和大家分享我们团队在重新定义术前规划方面的一些努力，特别是通过患者特异性3D建模、虚拟手术以及计算流体力学（CFD）等技术。我会以一个最近照顾的病人为例，来说明我们如何使用这些模型和仿真对实际病人产生影响。
达索系统一直以来都是我们在向病人提供建模与仿真工作流程方面的一个重要合作伙伴。现在我非常兴奋能够在这里分享我们在重新定义术前规划方面的最新进展。
让我先介绍下背景信息。我们面对的是一位四岁的病人。他患有异位综合症，伴有右侧多脾症，并且还有左心发育不良综合症。这意味着他的心脏只有一个右心室能够将血液泵送到全身，而左心室则非常小且无法正常工作。
此外，这名病人还有一种重要的静脉异常：下腔静脉中断，但有侧支连接。这表示来自下半身的所有血流都必须经过脊柱附近的奇静脉上升到心脏。作为新生儿时，这个孩子进行了第一阶段的手术，即Norwood手术；之后，在婴儿期又接受了第二阶段的手术，完成了Glenn连接，也就是将上腔静脉连接到肺动脉，并保留了奇静脉的位置。现在，这名孩子已经四岁，准备接受Fontan手术了。
挑战在于我们知道这种情况下肝脏静脉血流可能会在肺部分布不均，所以我们必须确保第一次就做对。为了达到这个目标，我们开发了许多利用建模和仿真的工作流程。首先，我们会从CT扫描或MRI开始，然后通过分割过程创建数字三维模型。这个三维模型可以用于术前规划或术中指导，也可以作为高级工程工作的平台，比如虚拟手术或流体仿真。实际上，在波士顿儿童医院，我们几乎每天都用这些模型来进行手术。
举个例子，我们可以考虑不同类型的Fontan手术选项，如横向隧道或心脏外Fontan。另一种选择是肝奇静脉分流术（Hepatoazygous shunt）。对于这个病人来说，重要的是肝静脉回流需要相对均匀地分配到两侧肺部，否则如果一侧肺部几乎没有或完全没有肝静脉血流，那么该侧肺部可能会发展出异常血管，即肺动静脉畸形，这是一种渐进性和致命的情况。因此，我们必须一次就正确完成手术。
我们有一个工作流程用于虚拟手术，可以通过它计划VSD补片或隔板的设计，或者怎样扩大肺动脉或主动脉。正如昨天讨论过的，这不仅是一个几何问题，更是一个复杂的生物力学问题，因为我们需要理解主动脉或肺动脉会如何拉伸，以及补片材料会怎样变化，最终缝合在一起后会是什么样子。
由此产生的结果是一个三维形状，我们可以将其展平并转移到手术室中。这是一个虚拟手术的例子，对于需要进行Fontan手术的患者，我们可以根据不同的Fontan方案进行仿真。
另一个例子是针对复杂室间隔缺损患者的手术修复。我们可以在三维模型中查看右心室内的情况，并设计一个VSD补片来封闭缺损，并引导左心室通向主动脉。可以看到，我们已经能够在模型中规划好这个绿色的补片，并将其取出以供实际应用。当然，补片从来都不是圆形和平坦的，它们总是复杂的三维形状。

我们开始这项工作已经有一段时间了。一位聪明的工程师曾提到如何将这些补片设计带入手术室，他说：“当然你应该用激光。”对我们这些医生和工程师来说，起初并不明白“激光”的含义。但在航空航天工程中，激光是一种常见的工具。因此，我们在手术室里安装了一套激光系统，可以将补片设计上传至激光系统，投影到补片材料上，然后用剪刀裁剪出来并缝合。我们验证了这个过程，即使使用柔软且可压缩的补片材料，也能获得小于2%的误差。
接下来是一个复杂的病例，心脏偏向右侧而不是左侧，左心室显示为橙色，右心室为紫色，主动脉来自右心室。我们要进行一个复杂的单半心修复，为这个患儿设计一个VSD补片穿过右心室，将左心室引导到主动脉。你可以看到，我们能够设计这样的补片，并成功应用于患者体内。
我们特别关注左心发育不良伴冠状动脉起源异常的患者。这是一种常见的心脏缺陷，术后结果差异很大。
目前，我们通过补片来扩大整个主动脉弓，通常使用肺同种移植物，这是一种具有高度弹性的各向同性补片材料。
一些外科医生会选择使用心包补片，但补片的初始切割和修剪方法在手术室中存在很大差异。这些手术是在新生儿身上进行的，体重只有五磅左右，因此你能想象这些补片是多么微小。然而，修补后的主动脉弓几何形状有很大差异，特别是在儿童成长过程中。我们发现，在主动脉重建时和儿童成长后，主动脉的几何形状都有显著的变化。我们需要更好的方法来解决这个问题。
当外科医生在没有血压的情况下重建主动脉时，他们关心的是主动脉在受压状态下应有的大小和形状。这是一个复杂的几何问题和生物力学问题。此外，我们要求二维平坦的补片弯曲成九个不同的方向，这对于外科医生来说显然是不可能估算出来的。所以我们需要标准化的、特定于患者的补片设计工作流程。
在修复后，我们进行了一项研究，旨在突出这种差异，并真正了解补片材料添加后这些主动脉弓如何随时间推移而生长。我们发现，在重建动脉瓣时以及儿童成长过程中，存在显著的几何形状差异。我非常遗憾地报告，Y轴是标准差，对于非临床医生来说，这是一个标准。您可以看到，在目标范围上下都有许多标准差，因此，这迫切需要更好的方法。
对于外科医生来说，在脑海中估计所有这些因素显然是过于繁重。因此，我们真正需要的是一个针对这些补片设计的标准化、个性化的工作流程。我们正在为此开发类似其他工作流程的方法，以实现合适的补片尺寸，然后通过激光投影到手术室中。我们正在进行体外验证，并准备临床应用。
我们还解决了肺动脉重建的问题。许多接受过肺动脉补片增大的患者在后期可能需要再次干预。我们为肺动脉创建了一个特定的模型，该模型具有正常肺动脉的正确力学属性，并设计了补片，然后在微CT扫描仪中对其加压，最后分析其尺寸验证整个工作流程。我们优化了生物力学、几何结构和缝合线吸收等问题，以实现非常可预测的肺动脉尺寸。
随着这些先进工作流程的发展，我们需要考