波士顿儿童医院借助仿真技术提供个性化儿科诊疗

本文原刊登于 Ansys.com：《Simulation Helps Boston Children’s Hospital Provide Personalized Pediatric Care》

作者：Aliyah Mallak | Ansys企业传播撰稿人

编辑整理：郭晓东 | Ansys 主任应用工程师

“每位患者都有独特的解剖构造，因此需要制定高度个性化的手术方案，这正是仿真工具的用武之地。”

——Vijay Govindarajan博士，哈佛医学院及波士顿儿童医院外科助理教授，兼波士顿儿童医院心血管3D建模及仿真计划血流仿真与多物理场建模科技主任

波士顿儿童医院（Boston Children’s Hospital）自1869年建院以来，一直引领着改善患儿生命与生活的儿科创新。今天，波士顿儿童医院仍然致力于通过创新技术的广泛研究与融合，为一些极具治疗挑战性的病症寻求治疗方案。

在波士顿儿童医院，多学科协作是创新的核心。临床医生、工程师和科学家并肩协作，将基础研究成果转化为切实可行、以患者为中心的解决方案。通过将临床研究与先进工程、大数据科学以及计算建模相结合，团队可以确定未满足的临床需求，快速构建新技术原型并严格评估其影响。该协作生态系统有助于将研究创新从实验室无缝转移至临床，从而可确保让新兴技术直接改善患者诊疗和临床决策。

这种多学科协作方法，有助于波士顿儿童医院整合工程解决方案，以应对儿科护理挑战，例如优化手术过程中的血流，以及定量分析体外膜肺氧合（ECMO）回路中的血流。下面我们来了解一下波士顿儿童医院如何通过将仿真技术与临床专业技术相结合，来改变复杂心脏病患者的治疗规划与实施方式。

膜式氧合器（又称人工肺）用于体外膜肺氧合（ECMO），可将血液暂时引出体外，对红细胞进行人工氧合并清除二氧化碳

CFD：心脏诊疗的命脉

您是否想过血液是如何在体内流动的？我们平时几乎不会去思考这件事。除非已确诊患有已知的血液疾病或心脏病，否则人们很容易主观地认为自己的血液循环没有任何问题。实际上，血液在血管系统中的流动情况被称为血液流动动力学，个体之间存在显著差异。对于先天性心脏病（CHD）患儿，其血流通常会有异常，需要做矫正手术。衡量手术成功与否及患儿长期健康状况的一项关键指标，是术后能否为全身各重要器官提供充足、均衡的血流和正常的生理压力。

“血流效率对于先天性心脏病患者而言至关重要，” 哈佛医学院及波士顿儿童医院外科助理教授Vijay Govindarajan博士（他还担任波士顿儿童医院心血管3D建模及仿真计划血流仿真与多物理场建模科技主任）表示， “我们先利用计算流体力学（CFD）来计算现有血流效率，随后通过CFD对不同手术方案进行虚拟仿真，以确定能够为患者实现最佳血流动力学状态的手术方案。

通过对心血管系统进行建模并对手术调整进行仿真，CFD软件有助于为复杂心脏病例确定最高效的手术路径。Govindarajan及其团队使用Ansys Fluent流体仿真软件来预测血流动力学的变化可能会对整体循环产生怎样的影响，其有助于外科医生在手术前优化其策略。Fluent软件不仅能量化血流效率，识别目标区域内能量耗散较高的部位，还能预测其他对手术成功至关重要的血流动力学指标。通过在虚拟环境中分析这些变量，手术团队可以预测手术挑战，并根据数据对其计划进行调整，最终可降低手术过程中出现并发症的风险。

Fontan通路虚拟扩径和后续分析的计算工作流程示意图。Fontan手术是一项专门为只有一个心室正常工作的患者改善血液循环的手术

“血液流动本身对解剖构造的几何结构高度敏感，” Govindarajan解释道， “因此，几何结构的细微变化可能会对血流产生显著影响。而且由于先天性心脏病患者的解剖结构存在显著的个体差异，对一名患者疗效显著的手术方案，可能对另一名患者无效。”

除了Fluent软件外，Govindarajan和建模团队还使用Ansys SpaceClaim 3D计算机辅助设计（CAD）建模软件和Ansys ICEM CFD网格生成功能来创建个体患者的详细模型并对其进行网格划分，以便执行高保真度血流仿真。这种高精度有助于优化手术技术，确定最符合患者具体需求的手术策略，从而降低术中并发症的发生风险。此外，患者特异性建模还可帮助外科医生预测与独特解剖结构或血流特征相关的潜在并发症。综合这些因素，可以降低短期和长期并发症的发生风险，提升手术疗效。

左图：患者2 Fontan手术血流通路压力空间分布的模型预测结果。预测显示：随着Fontan导管尺寸虚拟增大，Fontan通路中的压力分布整体降低，从而改善血流动力学状态。右图：患者2 Fontan手术黏性耗散率（VDR）空间分布的模型预测结果。随着Fontan导管尺寸虚拟增大，Fontan通路内的VDR会降低，从而提高血流效率

“每位患者都有独特的解剖构造，因此需要制定高度个性化的手术方案，这正是仿真工具的用武之地，” Govindarajan表示。

儿童ECMO回路中的血流动力学建模

Govindarajan讲道： “我们先启动了专为ECMO量身定制的全新CFD框架的开发工作，然后针对先天性单心室心脏缺陷患者制定了基于CFD的手术规划工作流程。由于心脏手术中面临的诸多血流动力学挑战（如血流效率低、血流停滞、血栓形成以及与剪切相关的血液损伤等）也会出现在ECMO中，因此我们积极开发了专用建模方法，以便更好地了解并优化ECMO性能。”

ECMO回路为一系列泵、腔和导管，可为危重患者提供临时心肺功能支持，尤其是晚期心力衰竭或等待移植的患者。ECMO回路将血液泵出体外，输入氧合器腔中，清除二氧化碳并为血液重新充氧，然后将血液泵回患者体内。虽然手术泵与机械泵所面临的挑战看似截然不同，但它们都存在一个重要的共同问题，即血液凝块，也称为血栓。

凝血与出血之间必须维持微妙平衡，因为血液既可能过度凝固导致血栓形成，凝血不足则可能发生出血。此外，解剖结构异常、患者特异性情况以及医疗器械的使用，都可能进一步促进血栓形成，这对接受ECMO疗法的患者尤为不利。ECMO回路中，任何存在血流不均匀的地方都会出现血凝块，例如导管连接器周围或ECMO泵中等。通过纳入Fluent软件，Govindarajan和研究团队为这些回路创建了非常精细的模型，为血液在大量不同泵速下的流动带来了极为重要的洞察。该团队可以预测并量化可能影响回路性能并影响患者护理的任何血流不均匀情况，例如血流停滞、过度湍流和剪切应力等。

利用该计算建模框架及其量化结果，临床医生和工程师可以优化ECMO组件的设计，使其对儿科患者更安全、更有效。这种CFD建模框架有助于ECMO系统在个性化定制方面的持续进展，确保其更好地适应每位患者独特的生理状况。此类精确分析不仅能助力预防并发症，而且还有助于制定策略以提高ECMO疗法可靠性和安全性。

左图：ECMO回路中的流动特征，突出显示了不同区域的血流分离和再循环区域。连接器区域突然膨胀会导致血流分离和局部停滞。再往下游，连接器出口的突然膨胀会导致壁面附近出现额外的再循环。右图：不同泵速下的溶血指数云图，展示了血液损伤在泵体及其下游膜肺连接管路中的空间分布。溶血升高的区域源于泵附近，其通过回路传播到下游，转速越高，整体溶血应力就越大

使用个性化预测模型改善诊疗

仿真软件有助于创建预测模型，为不同患者的具体情况提供重要洞察信息。这些模型可帮助临床医生进行手术方案仿真，并确定针对每位患者量身定制的最有效方法。在ECMO治疗中，血流与回路性能之间的相互作用高度敏感，因此，这种预判结果的能力具有重要价值。

预测性建模，可帮助研究人员以量化方式评估血流模式会对ECMO回路的效果产生怎样的影响。这些信息有助于精细调整治疗策略，最大限度地降低血栓形成或氧合不足等潜在并发症的风险。

通过对真实临床场景进行仿真，波士顿儿童医院能够获得完善医疗和外科手术规程所需的知识。计算建模与仿真可帮助医生做出更好的患者诊疗决策，确保干预措施充分考虑每位患者的个体化需求。仿真带来的更高精度有助于缩短恢复时间并提升整体诊疗质量，使儿科治疗更加安全有效。