SIMULIA 很高興與工程領導者和學者合作，利用模擬功能幫助塑造行業(yè)的未來。我們有幸采訪了 4RealSim，這是一家專門提供高端數(shù)值分析服務的公司。在采訪中，我們討論了 4RealSim 如何在 SimInSitu EU 項目中使用 Abaqus。SimInSitu 旨在通過將先進的組織重塑算法與個性化的虛擬心臟建模方法相結合，開發(fā)復雜的計算機模擬方法來預測原位組織工程心臟瓣膜 (TEHV) 的短期和長期行為。該方法將專門開發(fā)用于預測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雜轉變過程。

問：請向我們簡單介紹一下人類的心臟。

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

右側是血液回流的地方，處于低壓區(qū)。每側有兩個獨立的腔室。總共有四個腔室，每個腔室都有一個流入口和一個流出口。所有這些開口都由瓣膜控制。人類心臟有四個心臟瓣膜：左側（主動脈瓣膜）和右側（肺動脈瓣膜）。

我們正在討論的主動脈瓣膜對心臟瓣膜疾病患者來說是最重要的。血液從主動脈瓣膜離開左心室，高壓直接進入主動脈。血液從主動脈離開心臟，進入身體，再上行至大腦。因此，主動脈瓣膜是其整個生命周期中承受最大負荷的心臟瓣膜，無論是血流量還是壓力差，而且承受的物理負荷都非常大。

問：心臟瓣膜破裂有多常見？發(fā)生這種情況會對人造成什么影響？

答：主動脈瓣有三個小部分，稱為瓣葉。這些瓣葉非常靈活，像翼一樣，可以輕松打開并讓血液通過。另一方面，它們也很容易關閉，以防止血液回流。隨著時間的推移（隨著年齡的增長），它們會鈣化，從而阻止瓣葉輕松打開和關閉。

鈣化會隨著時間的推移而增加，這是人體、血管和動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，心臟瓣膜就無法再正常運作了。瓣膜很難打開，而這需要打開，因為血液需要進入主動脈。這導致心臟工作過度，最終需要更換瓣膜。瓣膜最初是用手術裝置更換的。這些環(huán)帶有可以打開和關閉的小塑料或金屬結構，但需要進行心臟直視手術才能將它們放入人體。現(xiàn)在，大約 20 年后，一種新的系統(tǒng)已經開發(fā)出來。經導管裝置可以通過經導管放入體內，用導管裝置進入你的股動脈。這就是所謂的 TAVI 裝置。

圖 1：Sapien-3 TAVI 設備的 FEM 模型

問：SimInSitu 如何嘗試利用可生物降解聚合物解決人工瓣膜的問題？

答：現(xiàn)在出現(xiàn)了一類新的設備。即使是替代設備，這些 TAVI 設備，隨著時間的推移，也會變質、失去性能，必須更換。如果患者使用這些設備的時間超過 10-15 年，您該怎么辦？最好的解決方案是通過組織恢復功能，如果您的身體可以幫助或可以開發(fā)解決方案，恢復心臟瓣膜的原始功能。在過去的 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，它就會吸引某些類型的細胞開始滲透并開始產生新組織，同時合成材料開始生物降解。這是一個平衡的過程，合成組織會隨著時間的推移而降解和吸收，同樣，與此同時，正在生成的新組織。從理論上講，你可以構建任何你想要的幾何形狀，你的身體可以重新創(chuàng)建新的結構。這是一個有前途的策略，但具有挑戰(zhàn)性。如果它是你的組織，那么它就不會再有惡化的風險，因為它是一個活體生物。

圖 2：使用生物可吸收彈性植入物進行原位心臟瓣膜組織工程——從材料設計到綿羊 12 個月的隨訪

問：SimInSitu 在嘗試將這項突破性技術變?yōu)楝F(xiàn)實時遇到了哪些挑戰(zhàn)？

答：這項技術是由幾個研究機構開發(fā)的，但也有公司正在研究該課題，他們已經研究該技術問題好幾年了，開發(fā)產品并在不同的環(huán)境中進行測試。所有這些高風險產品都需要在臨床試驗中測試才能上市。這是一個非常漫長、危險且昂貴的過程。我們開發(fā) SimInSitu 的想法是使用計算方法幫助醫(yī)療器械公司更快地開發(fā)產品。提供計算方法和模擬工具，允許在虛擬患者環(huán)境中的計算機環(huán)境中測試設備和醫(yī)療保健解決方案，從而加速開發(fā)過程。三年半以來，我們與使用該技術并在這些可生物降解技術方面有經驗的醫(yī)療器械公司合作，開發(fā)出可以幫助他們長期更快、更安全地開發(fā)這些產品的工具。

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

問：您如何使用先進的計算機建模和模擬來幫助解決可生物降解部分的挑戰(zhàn)？

答：我們在這個項目中的主要目標是開發(fā)兩個平臺。平臺實際上是一個計算機模型，可用于模擬這些設備在特定患者體內的演變方式。我們想要為兩類設備開發(fā)這些平臺。在這兩個平臺中，我們需要確保開發(fā)出正確的材料模型，以模擬生物降解和修復過程。我們正在模擬一個生物過程。這種材料正在發(fā)生變化：它在生長，它的尺寸和機械性能也在改變。另一組是患者模型，我們有一個小組通過臨床中心收集真實的患者數(shù)據(jù)，并使用這些數(shù)據(jù)從接受傳統(tǒng) TAVI 治療的真實患者中生成患者特定模型。

圖 4：植入左心室和主動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典設備隨時間推移的性能，并可以使用這些數(shù)據(jù)來構建和驗證我們的模型。還有不同類型的計算領域：材料建模、機械結構建模和血流。由于它是一個瓣膜，因此血流和與這些瓣膜組件的相互作用是模擬的關鍵要素。雖然聽起來很簡單，但這是一個巨大的挑戰(zhàn)。流體結構相互作用 (FSI) 是最大的構建模塊之一，但也是這些模型中最大的挑戰(zhàn)之一，因為它們對計算的要求很高。

圖 5：分層 VVUQ 概念在 SimInSitu 項目中建立可信度

SimInSitu 項目的一個主要目標除了為復雜系統(tǒng)開發(fā)先進的模擬工具外，還在于建立這些模型的可信度。這通常是通過 VVUQ 來實現(xiàn)的，VVUQ 代表驗證、確認和不確定性量化，這是一種結構化方法，可確保使用計算機模型進行的預測是可信的。我們在 VVUQ 領域的經驗大大增加，我們與其他行業(yè)（如航空航天和汽車）進行了討論和分享。我們意識到，在公司或研究機構的日常工作中，人們缺乏對這些方法的深入理解和經驗。我們 4RealSim 正試圖通過提供專門的培訓來改善這種情況。

問：針對特定患者進行一系列測試是否還會有另一層復雜性？

答：我們使用的方法并沒有什么不同，無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)，我們可以更多地訪問特定于患者的數(shù)據(jù)。這意味著我們可以為特定患者重建精確的解剖結構。在一個心動周期、一次心跳期間，我們可以拍攝多個快照。借助某種 CT MRI 技術，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構。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。這需要大量的自動化過程。因此，整個模型生成都是根據(jù)臨床數(shù)據(jù)、CT MRI、M 數(shù)據(jù)完成的，然后經過所謂的分割模型生成，然后你需要構建這個計算機模型并在其上放置正確的邊界條件。

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

答：我們在這個聯(lián)盟中有多個軟件模擬，包括 SimInsitu，但我想說 80%的工作是在結構層面。因此，有限元方法，在這里，我們專門使用 Abaqus，因為它在工業(yè)界和學術界都得到了很好的認可，特別是因為它在子程序編程方面具有巨大的靈活性，特別是用戶定義的材料。Abaqus非常強大，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：告訴我你正在做的這項工作有朝一日會對世界產生什么影響，你認為夢想中的場景是什么?

答：理想的情況是，我們已經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)管機構的認可。所以有一天，我們可以開發(fā)一種產品，也可以為監(jiān)管機構提供大量的計算數(shù)據(jù)。如果我們能做到這一點，那將是我能預見的最大成功故事。我無法展望未來，并現(xiàn)實地看到我們可以在計算機上解決所有問題。我總是認為這必須是真實臨床數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)的混合。

但如果這個數(shù)量可以增加，我們有了方法，也有了所有的外部利益相關者，那么這將是一個巨大的成功。我非?？隙ㄎ覀兡茏龅竭@一點。在如此多的站點、如此多的項目中，所有工作都在進行，發(fā)展成為所謂的良好模擬實踐標準，發(fā)展成為 ASME 的官方標準，涉及計算方法、醫(yī)療設備、我們在這里的工作以及其他聯(lián)盟的工作。我對這條道路的進展非常樂觀，并將在未來做出巨大貢獻。