siminsitu 与 4realsim 合作的欧盟项目-凯发网站

simulia 很高兴与工程领导者和学者合作，利用模拟功能帮助塑造行业的未来。我们有幸采访了 4realsim，这是一家专门提供高端数值分析服务的公司。在采访中，我们讨论了 4realsim 如何在 siminsitu eu 项目中使用 abaqus。siminsitu 旨在通过将先进的组织重塑算法与个性化的虚拟心脏建模方法相结合，开发复杂的计算机模拟方法来预测原位组织工程心脏瓣膜 (tehv) 的短期和长期行为。该方法将专门开发用于预测可生物降解心脏瓣膜从最初的合成支架到完全重塑和功能性瓣膜的复杂转变过程。

问：请向我们简单介绍一下人类的心脏。

答：人的心脏是我们的泵血机器。从生命的第一刻起，我们的泵就每天 24 小时不间断地工作，直到我们死去。心脏是一块巨大的双面肌肉，不断泵血。心脏有左侧和右侧。左侧是含氧血液泵入身体的地方，通过主动脉进入四肢和大脑。这是高压侧。右侧是血液从身体返回时携带少量氧气的地方，随后被泵入肺部。

右侧是血液回流的地方，处于低压区。每侧有两个独立的腔室。总共有四个腔室，每个腔室都有一个流入口和一个流出口。所有这些开口都由瓣膜控制。人类心脏有四个心脏瓣膜：左侧（主动脉瓣膜）和右侧（肺动脉瓣膜）。

我们正在讨论的主动脉瓣膜对心脏瓣膜疾病患者来说是最重要的。血液从主动脉瓣膜离开左心室，高压直接进入主动脉。血液从主动脉离开心脏，进入身体，再上行至大脑。因此，主动脉瓣膜是其整个生命周期中承受最大负荷的心脏瓣膜，无论是血流量还是压力差，而且承受的物理负荷都非常大。

问：心脏瓣膜破裂有多常见？发生这种情况会对人造成什么影响？

答：主动脉瓣有三个小部分，称为瓣叶。这些瓣叶非常灵活，像翼一样，可以轻松打开并让血液通过。另一方面，它们也很容易关闭，以防止血液回流。随着时间的推移（随着年龄的增长），它们会钙化，从而阻止瓣叶轻松打开和关闭。

钙化会随着时间的推移而增加，这是人体、血管和动脉中典型的病理事件。不难想象，一旦你看到心脏钙化在这些非常柔韧的组织中积累，心脏瓣膜就无法再正常运作了。瓣膜很难打开，而这需要打开，因为血液需要进入主动脉。这导致心脏工作过度，最终需要更换瓣膜。瓣膜最初是用手术装置更换的。这些环带有可以打开和关闭的小塑料或金属结构，但需要进行心脏直视手术才能将它们放入人体。现在，大约 20 年后，一种新的系统已经开发出来。经导管装置可以通过经导管放入体内，用导管装置进入你的股动脉。这就是所谓的 tavi 装置。

图 1：sapien-3 tavi 设备的 fem 模型

问：siminsitu 如何尝试利用可生物降解聚合物解决人工瓣膜的问题？

答：现在出现了一类新的设备。即使是替代设备，这些 tavi 设备，随着时间的推移，也会变质、失去性能，必须更换。如果患者使用这些设备的时间超过 10-15 年，您该怎么办？最好的凯发网站的解决方案是通过组织恢复功能，如果您的身体可以帮助或可以开发凯发网站的解决方案，恢复心脏瓣膜的原始功能。在过去的 15 年里，出现了一种使用可生物降解合成材料的新策略。

一旦将其放入体内，它就会吸引某些类型的细胞开始渗透并开始产生新组织，同时合成材料开始生物降解。这是一个平衡的过程，合成组织会随着时间的推移而降解和吸收，同样，与此同时，正在生成的新组织。从理论上讲，你可以构建任何你想要的几何形状，你的身体可以重新创建新的结构。这是一个有前途的策略，但具有挑战性。如果它是你的组织，那么它就不会再有恶化的风险，因为它是一个活体生物。

图 2：使用生物可吸收弹性植入物进行原位心脏瓣膜组织工程——从材料设计到绵羊 12 个月的随访

问：siminsitu 在尝试将这项突破性技术变为现实时遇到了哪些挑战？

答：这项技术是由几个研究机构开发的，但也有公司正在研究该课题，他们已经研究该技术问题好几年了，开发产品并在不同的环境中进行测试。所有这些高风险产品都需要在临床试验中测试才能上市。这是一个非常漫长、危险且昂贵的过程。我们开发 siminsitu 的想法是使用计算方法帮助医疗器械公司更快地开发产品。提供计算方法和模拟工具，允许在虚拟患者环境中的计算机环境中测试设备和医疗保健凯发网站的解决方案，从而加速开发过程。三年半以来，我们与使用该技术并在这些可生物降解技术方面有经验的医疗器械公司合作，开发出可以帮助他们长期更快、更安全地开发这些产品的工具。

图 3：概念建模方法用于解释支架降解和新组织生长（鲁汶天主教大学 | emse）

问：您如何使用先进的计算机建模和模拟来帮助解决可生物降解部分的挑战？

答：我们在这个项目中的主要目标是开发两个平台。平台实际上是一个计算机模型，可用于模拟这些设备在特定患者体内的演变方式。我们想要为两类设备开发这些平台。在这两个平台中，我们需要确保开发出正确的材料模型，以模拟生物降解和修复过程。我们正在模拟一个生物过程。这种材料正在发生变化：它在生长，它的尺寸和机械性能也在改变。另一组是患者模型，我们有一个小组通过临床中心收集真实的患者数据，并使用这些数据从接受传统 tavi 治疗的真实患者中生成患者特定模型。

图 4：植入左心室和主动脉弓患者特定模型的 tavi 装置的 fem 模型（4realsim | unipa）

我们可以看到这些经典设备随时间推移的性能，并可以使用这些数据来构建和验证我们的模型。还有不同类型的计算领域：材料建模、机械结构建模和血流。由于它是一个瓣膜，因此血流和与这些瓣膜组件的相互作用是模拟的关键要素。虽然听起来很简单，但这是一个巨大的挑战。流体结构相互作用 (fsi) 是最大的构建模块之一，但也是这些模型中最大的挑战之一，因为它们对计算的要求很高。

图 5：分层 vvuq 概念在 siminsitu 项目中建立可信度

siminsitu 项目的一个主要目标除了为复杂系统开发先进的模拟工具外，还在于建立这些模型的可信度。这通常是通过 vvuq 来实现的，vvuq 代表验证、确认和不确定性量化，这是一种结构化方法，可确保使用计算机模型进行的预测是可信的。我们在 vvuq 领域的经验大大增加，我们与其他行业（如航空航天和汽车）进行了讨论和分享。我们意识到，在公司或研究机构的日常工作中，人们缺乏对这些方法的深入理解和经验。我们 4realsim 正试图通过提供专门的培训来改善这种情况。

问：针对特定患者进行一系列测试是否还会有另一层复杂性？

答：我们使用的方法并没有什么不同，无论是普通心脏还是特定心脏。不同之处在于，基于可用的成像数据，特别是高分辨率 mri 和高分辨率 ct 数据，我们可以更多地访问特定于患者的数据。这意味着我们可以为特定患者重建精确的解剖结构。在一个心动周期、一次心跳期间，我们可以拍摄多个快照。借助某种 ct mri 技术，我们可以看到心脏的变化以及它如何变大和变小，我们可以使用这些数据重建该患者的具体解剖结构。我们还可以根据成像数据为特定患者模拟这些瓣叶中的钙化情况。这需要大量的自动化过程。因此，整个模型生成都是根据临床数据、ct mri、m 数据完成的，然后经过所谓的分割模型生成，然后你需要构建这个计算机模型并在其上放置正确的边界条件。

问：与其他类型的仿真软件相比，你是否发现了使用一种类型的仿真的偏好或价值?

答：我们在这个联盟中有多个软件模拟，包括 siminsitu，但我想说 80%的工作是在结构层面。因此，有限元方法，在这里，我们专门使用 abaqus，因为它在工业界和学术界都得到了很好的认可，特别是因为它在子程序编程方面具有巨大的灵活性，特别是用户定义的材料。abaqus非常强大，我们所有参与有限元建模的凯发网站的合作伙伴都使用abaqus。那是我们的工作之本。

问：告诉我你正在做的这项工作有朝一日会对世界产生什么影响，你认为梦想中的场景是什么?

答：理想的情况是，我们已经建立了一种工作方式，并建立了这些模型，得到了业界和监管机构的认可。所以有一天，我们可以开发一种产品，也可以为监管机构提供大量的计算数据。如果我们能做到这一点，那将是我能预见的最大成功故事。我无法展望未来，并现实地看到我们可以在计算机上解决所有问题。我总是认为这必须是真实临床数据和计算数据的混合。

但如果这个数量可以增加，我们有了方法，也有了所有的外部利益相关者，那么这将是一个巨大的成功。我非常肯定我们能做到这一点。在如此多的站点、如此多的项目中，所有工作都在进行，发展成为所谓的良好模拟实践标准，发展成为 asme 的官方标准，涉及计算方法、医疗设备、我们在这里的工作以及其他联盟的工作。我对这条道路的进展非常乐观，并将在未来做出巨大贡献。