达索系统虚拟孪生动脉瘤
“天热情绪差，容易爆血管”，“大脑中的不定时炸弹”，这些都说的是脑动脉瘤。脑动脉瘤其实不是肿瘤，它是因为动脉血管壁存在先天或后天造成的管壁结构缺陷，由于血流的冲击作用在血管壁上形成的球囊形、梭形或夹层样的血管异常，表现形式就是动脉壁的异常囊性膨出。之所以叫“瘤”，是因为发病后血管向外异常鼓起的样子与肿瘤相似。我们能否在建立心脏、动脉、大脑虚拟孪生的基础上，预测动脉瘤的发病趋势？能否提前预知动脉瘤的发病风险，以拯救人类的生命？
在达索系统2023年度科学大会人体的虚拟孪生体验研讨会上，达索系统CATIA品牌专家Debarun DAS和SIMULIA品牌专家Christopher DEVRIES对如何利用建模与仿真技术（MODSIM，Modeling & Simulation）建立人体的虚拟孪生体验，帮助医生应对动脉瘤进行支架治疗做出了精彩的演绎。
Debarun DAS和Christopher DEVRIES的主要演讲内容。
支架设计对动脉瘤瘀滞和血流动力学的影响包括孔隙率、支柱设计、网格形状等。目前的开发方式包括3D 打印动脉瘤的台架测试，通常用于了解支架部署对血流动力学的影响；由于此类测试耗时且占用大量资源，测试数量非常有限。临床发现血流动力学因素在动脉瘤的发生和生长中发挥着重要作用，并且也与动脉瘤的治疗结果相关。为了了解不同支架设计对大型患者数据集的影响，进行建模和仿真 (MODSIM) 有助于加速开发和部署，使用自动化工作流程快速高效地设计支架的虚拟解决方案。
在深入建模和仿真之前，我们首先快速了解一下什么是动脉瘤。简单地说，动脉瘤是血管的异常扩张，本质上导致形成像上图中看到的气球或囊。脉管系统中动脉瘤的危险不仅是因为它会影响局部血流动力学，更重要的是，它会大幅增加血管破裂的可能性。
动脉瘤有几种治疗选择。但流行的治疗策略之一是使用支架。这些支架被设计成紧密编织的金属丝，孔隙率非常低，目的是从本质上重新引导血流远离动脉瘤。这可能允许身体重建载瘤动脉，更重要的是，它能够减少作用在动脉瘤上的力，从而防止瘤体破裂，避免对患者的健康构成严重风险。因此，就像任何医疗设备一样，支架是一个非常复杂的设备，尤其因为它是侵入性部署的，必须确保我们所做的设计工作是全面的，并且我们需要了解与该设计相关的所有关键方面。
为什么要建模和仿真？MODSIM 真正适合这个领域的哪些方面？要回答这个问题，我们必须首先要了解血流动力学因素，例如流入动脉瘤的血液或作用于该动脉瘤的壁剪切应力。
临床证明这些因素不仅与治疗结果相关，更重要的是与治疗起点相关。动脉瘤的产生首先是由血流动力学因素起着关键作用。研究表明，大多数时候，脑动脉瘤发生在血流动力学高的区域，例如，在动脉通道的分叉处。因此，为了提高支架的部署成功率，达到改善患者生存质量的治疗效果，研发人员非常希望开发的支架能够在患者特定的动脉瘤上进行测试。目前来看，台架测试肯定是有帮助的。但显然，通过数十、数百或数千个患者的特定动脉瘤数据来测试支架的每种变体是不可行的，我们需要测试支架设计是否有效， MODSIM 等虚拟解决方案成为一种几乎不可或缺的工具，能够在患者特定计算模型的虚拟世界中设计、建模和仿真这种特定的干预策略。
这就是我们为什么要利用虚拟孪生技术，MODSIM技术针对脑动脉瘤和使用编织支架进行概念验证和演示研究的根本原因。
CAD解决方案本质上旨在提供一个简化的流程来创建这种非常复杂的 3D 编织支架几何形状，接下来的步骤是将该支架虚拟变形为适应患者的形状特定的动脉瘤几何形状。一旦支架开发出来，在 CATIA中完成变形，我们就会在CFD 仿真中采用该几何形状，然后基本上完成设置该几何形状的过程来仿真支架。这些仿真能够模拟支架之间存在的非常紧密的间隙或间距，SIMULIA求解器具备这样的能力。
在完成所有模型沉积物仿真之后，我们会查看后处理，我们真正感兴趣的是可以从该 CAD 模型输出的血液动力学参数。
在我们集成几何模型，并理解这就是模型在入口处的样子之后，我们从文献中，获得应用时变脉动流边界条件，在一个心动周期内，设置流量出口条件。我们使用三元 Windkessel 模型，Windkessel 模型是该领域中相当常用的数学模型，它使我们能够生成瞬态出口压力分布。从本质上讲，该模型的作用是考虑体内血管的顺应性和外周阻力，并且在本质上解决了创建瞬态出口边界条件的问题。
我们尽可能地尝试将尽可能多的生理条件纳入模型中，不仅从几何方面，而且从流体方面，这很重要。
接下来简单介绍一下求解器。我们使用 SIMULIA 格子玻尔兹曼方法（LBM，Lattice Boltzmann Method）方法求解器PowerFlow（达索系统SIMULIA品牌中的一个流体子品牌）。
格子玻尔兹曼是从玻尔兹曼动力学理论的离散形式导出的，它本质上是用来预测宏观流体行为的。使用 LBM 的最大优势之一，以及我们在这里实际使用它的原因是，在 LBM 中，它会自动生成流体域。
在这个特定的应用中，这一点之所以重要是因为这些支架之间存在非常非常小的间隙。这是设计使然，因为我们想转移流量。如果不能正确模拟这些间隙，结果将不会那么接近现实或预测。这就是我们采用PowerFlow解决方案的原因所在，PowerFlow能够做到这一点。
除此之外，LBM 本质上是一种瞬态代码，并具有其他一些优点。PowerFlow是一个通用的湍流求解器，能够对复杂的几何形状以及流体的复杂性进行建模。正如我们在右侧动画中看到的那样，这些只是我们在生命科学中扩展的PowerFlow应用的一些示例。
上图中左边是没有支架的模型以及流动效果，右边是有了支架之后的流动效果。在此动画中我们看到的是多个心动周期的等值面速度。我们仿真了大约 10 个心动周期，然后让流量达到某种区域平衡。通过观察流量，我们可以清楚地看到，随着编织支架的增加，正如这里所量化的，平均在一个心动周期，动脉瘤中的血流量几乎下降了 41%。减少进入动脉瘤的血液，这符合这些专门设计用作屏障的编织支架的意图。
但更重要的是，从这些结果可以看出，这种支架流量转向技术表明，它能够从根本上减少营养通量，可能促进血液停滞，并促进最终闭合动脉瘤的自然过程。
当我们从医疗设备制造商那里听到动脉瘤以及某些情况时，更重要的方面之一是观察壁剪切应力。较高的壁剪切应力可能会导致动脉瘤的发展和持续生长，并最终导致破裂。这真的很关键。在这里，我们再次使用仿真手段，以比较左侧没有支架和右侧有支架的情况，结果证明，通过仿真可以揭示支架的影响到底有多大。
这里要强调的是，最后一个结果是停留时间。这也是我们展示的一个参数，因为它是医疗设备制造商行业中常用的参数，并且可以帮助我们了解分流效率。
粒子追踪是我们实际上可以将血液流动可视化并量化的一种方式。如图所示，我们能够看到平均停留时间与粒子总数的关系，橙色线是没有支架的平均停留时间。在没有支架的情况下，血液的流动路径要长得多，因此我们预期会看到更长的停留时间，而这正是我们从仿真结果所看到的。
但随着编织支架的应用，我们评估了紧密编织的和松散编织的两种支架设计的影响。支架能够将血液流体转移，发现几乎 67% 的颗粒在心动周期中的停留时间小于 0.2 秒。我们不仅可以在视觉上看到路径缩短和停留时间缩短的另一种方式，并且能够对其进行量化。这是评估我们所拥有的流体转移技术效率的另一个指标。
带有血管支架的动脉瘤的 MODSIM 总结和价值指标：
MODSIM 能够评估患者特定动脉瘤模型的不同支架设计，以及来自大型患者数据集的不同动脉瘤变形，帮助开发“通用”或“最佳”设计支架以改善治疗结果
通过 MODSIM 的虚拟解决方案，可以使用自动化工作流程快速高效地设计支架，探索潜在的治疗方案，提出关于提高基于支架的治疗成功率的详细见解
虚拟设计功能可用于开发支架变形，并使用先进的 CAD 软件进行无缝参数化设计更新和自动目标形状变形
CFD 仿真中的流体参数有助于确定由血流动力学因素驱动的动脉瘤破裂的可能性，并详细了解局部流体条件
MODSIM 工作流程可以扩展到设计支架，用于考虑其他仿真方面，例如结构分析 (FEA) 和血流-支架-血管壁相互作用 (FSI)
虚拟测试可以帮助减少开发时间和成本，缩小（甚至取消）动物测试和临床试验的规模。
未来展望：
MODSIM 如何帮助医生、研究人员和工程师预测和评估临床环境中编织支架的行为和性能？
MODSIM如何有助于提高动脉瘤治疗用编织支架的安全性和有效性？
在临床环境中设计和部署编织支架时，此工作流程可以解决哪些具体挑战？
虚拟测试和仿真在减少对物理原型的需求和进行支架临床前评估方面可以发挥什么作用？
从本文中，我们看到的是来自 CATIA 的非常强大的技术，可以帮助我们从开始获得几何模型；以及来自 SIMULIA 的非常强大的技术，可以帮助我们看到支架应用的治疗效果。达索系统正在尝试将这两个传统上孤立的事物——设计与仿真紧密结合在一起，以便我们能够更有效地进行此类研究。
我们还可以改进的一些事情是再结合结构分析开展设计微调。我们可以结合结构优化来尝试缩短周转时间，这已经令人印象深刻。仿真一和仿真二之间可能需要 10 分钟的仿真周转时间，但我们也可以将其自动化。然后我们可以进行数百次这样的分析，进行真正的微调，并优化几何形状，最终达到让患者重获健康的目标。
Biomodex公司应用达索系统产品进行商业和技术创新的成功案例
法国雷恩大学医院 (CHU Rennes) 是介入神经放射学领域顶级的医疗中心之一。 其医生团队每年监测近 700 名脑动脉瘤患者，并为近 200 名破裂和未破裂动脉瘤患者进行治疗。 相关手术过程复杂、耗时，并且并发症风险很高。
但法美数字健康公司 Biomodex的革命性技术正在帮助改变这一现状。 该公司的解决方案使医生能够创建患者动脉瘤（或任何其他特定解剖结构）的精确 3D 打印模型，以提前模拟干预措施，以便他们可以为每个患者选择最佳的设备和方法。
Biomodex医疗设备公司为医生的复杂手术排练和高级培训开发了生物逼真的触觉模拟器，并使用云上的 3DEXPERIENCE 来设计器官的虚拟孪生，以准确模拟医疗手术过程中人体组织的生物力学特性。
雷恩大学医院介入神经放射学家 Anthony Le Bras 博士说：“使用模型进行术前演练可以让我们提前知道某种方法是否有效，如果无效，可以帮助我们确定哪种医疗设备更有效。这不仅增强了医生的信心，还减少了手术时间并降低了实际手术过程中出现并发症的风险。”
Biomodex 使用3DEXPERIENCE平台创建复杂的 3D 打印解剖双胞胎和模拟程序。 通过将成像扫描和其他诊断信息输入平台以生成点云、可视化血管和器官内部，进而构建3D虚拟模型。 然后使用生物力学响应先进材料进行 3D 打印，创建患者专用的“墨盒”。该“墨盒”可以插入模拟系统，以便医生执行逼真的手术。与市场上已有的基本硅胶模型不同，Biomodex 的模型真实地模拟了个人解剖结构的特征和触觉反馈。
“Biomodex 创造了一个完整的解决方案，不仅可以复制患者的解剖结构，还可以复制组织的机械行为，” Biomodex CEO Ziad Rouag说。 “使用这些 3D 打印模型，医生可以看到并感觉到血管的行为方式。”
通过其创新的技术和数字优先方法，Biomodex 正在以可持续的方式帮助支持健康生活，促进所有人的福祉并改善医疗安全。该公司的首个商用解决方案已经被证明是一种创新的，可替代传统术前准备和培训方法的方法，改变了医疗行业获取知识和经验的方式，而不会危及患者的生命。 这种方法正在改变医学实习生和研究员执行复杂手术的方式。
“该系统相当于一个用于训练和排练程序的全动态飞行模拟器——这在医疗行业以前是不存在的，” Rouag说。“飞行员在安全的环境中发展技能并进行训练，我们希望为医学做同样的事情。”
巴黎圣约瑟夫医院集团血管外科教授兼主动脉中心主任 Stephan Haulon 表示：“自从我们获得了 Biomodex 3D 打印件以来，我们就为学生制定了完美的培训计划。” “他们知道他们将来到导管实验室执行一些程序，并且在整个学期中他们将执行越来越复杂的程序。 在我的部门六个月的轮换结束后，他们将看到真实的病例并在导管实验室中执行相同的病例。”
Biomodex公司自 2015 年成立以来，一直得到达索系统及其3DEXPERIENCE 实验室的支持。 创业加速器计划通过 3DEXPERIENCE 平台应用程序集上的指导、培训和云访问来培育和支持颠覆性项目。
“达索系统是我们生产和开发的关键组成部分，” Rouag说。“在业务建立的早期阶段，3DEXPERIENCE 实验室以及对 CATIA 和SIMULIA 设计、仿真应用程序的访问发挥了重要作用。 这使得我们能够聘请大量工程师并使用真正先进的工具和软件，最终促进了我们技术的发展。”
对于 Biomodex 来说，3DEXPERIENCE 平台不仅仅是一个简单的技术平台，更是它发展所有尖端能力的基础环境。
Rouag 表示：“该平台为团队提供了我们在数据处理和管理复杂性方面所需的精确度。” “它给流程带来了巨大的稳健性。例如，当我们收到分段的 3D 患者图像，并将其导入 CATIA 时，它不会做出任何妥协； 我们始终保留了所有数据和所有精度。如果没有 3DEXPERIENCE，就无法完成这一切。”
能够访问所有平台云功能对 Biomodex 来说也是非常有用的。Biomodex在美国和欧洲设有办事处，无论身在何处，公司的分布式团队都可以通过在云上无缝协作来有效地协同工作。 Biomodex 在平衡资源和管理办公室占用方面也有更多选择，因为它不需要所有员工始终在办公室——他们也可以在家工作。
“云上的 3DEXPERIENCE 平台对于我们的制造和研发流程至关重要，”Rouag 说。“云端的灵活性和移动性意味着人们不必依赖办公室中强大的大型机器。 无论我们身在何处，我们都可以按需访问所需的所有应用程序和数据。这在 COVID-19 大流行期间显然非常重要。我们在波士顿和巴黎设有办事处，无论如何我们都需要这种灵活性，并且非常欣赏能够在虚拟世界中工作这种能力。”
现在，作为一家成熟的企业，Biomodex 已从3DEXPERIENCE 实验室毕业并实现了自我支持。 达索系统合作伙伴 XD Innovation (XDI) 为其提供全方位的持续咨询服务。
“在我们转变为达索系统客户的过程中，XDI 一直在场为我们提供了帮助，”Rouag 说道。 “当我们从实验室进入一般领域时，他们为我们提供了技术变革方面的支持，并使事情变得清晰。 他们会尽可能与我们会面，坐下来讨论任何问题。尽管我们仍然与达索系统有很多直接联系，但 XDI 帮助我们达到了新的运营状态。”
Biomodex 可以涵盖多种不同类型的医疗程序，因此必须非常有针对性。“我们决定首先专注于需要最多培训和准备的最复杂手术，这就是我们首先推出 Biomodex EVIAS（颅内血管内动脉瘤系统）站的原因，”Rouag 说。“我们知道介入神经科医生要使用高度复杂的成像，并且必须采取特定的测量来确保植入物的正确贴合。”
Biomodex 还专注于心血管手术。 Biomodex LAACS（左心耳封堵系统）站是一种培训和针对特定病例的演练解决方案，用于模拟通过局部封闭心脏来帮助预防中风的手术。
“有许多结构性心脏手术非常复杂，因此我们也在为它们开发解决方案，” Rouag说。“然后，还有针对主动脉瘤的血管内手术。 这些是我们的首要关注点。”
3DEXPERIENCE 平台上的 SIMULIA 使Biomodex 能够准确模拟动脉瘤或器官的 3D 打印模型在手术过程中的反应。 该公司使用 SIMULIA 进行有限元分析 (FEA)，以确定每个解剖结构对压力、切口和分离的反应，就像活体组织一样，并识别薄弱点。
如果没有 SIMULIA，我们将生产不出逼真的塑料件，”Rouag 说。“就触觉反馈和 X 射线下的情况而言，它与患者的解剖结构完全不同。 我们应用了大量的临床信息，这些信息已被合成为模型，使用 SIMULIA 来实际实现获得非常精确的模型，并从打印机中复制出来。”
至关重要的是，SIMULIA 使Biomodex 能够生产出 3D 打印模型，这些模型的感觉和行为与每个患者身体特定区域的感觉和行为完全相同。
技术总监 Frédéric Champ 在谈及 Biomodex 的开发时说：“这些模型用作我们INVIVOTECH材料的输入数据，该材料考虑了模拟模型的局部变形，以优化将在 3D 打印模型中复制的材料分布。 我们的目标是在模型中重现导管导航时的物理感觉和触觉反馈，为医生提供真实的模拟。 例如，当动脉穿过颅骨时，当它穿过骨头时，感觉很硬，几乎就像一根金属管。”
由于能够在手术前在现实条件下测试新设备，行业和医生都可以确保它们完全符合预期并发挥作用。
“最近，我们用 3D 打印了一个升主动脉瘤，而我为该特定病例设计的内移植物有点太短了，”Haulon 教授说。 “感谢Biomodex，我们能够改变内移植物并确保它是手术的完美设计。”
能够在现场手术前排练并确定最佳程序有助于医生有效做好准备并改善患者体验。
当我们使用新设备执行新手术时，有时会承受很大的压力，因为我们想确保做得正确，”Haulon 教授说。 “这是我们与Biomodex 合作的主要原因之一。 在对患者进行手术之前，我们可以利用患者的精确解剖结构来模拟整个手术过程。 这是与所有团队一起进行的真实排练，这让我们感到更加自信，也给我们的患者注入了信心。 他们很高兴得知我们已经在他们的精确 3D 打印解剖模型上练习了该程序并测试了该设备。
从一开始Biomodex 就与医学专家密切合作，以准确了解他们的需求以及他们将如何从公司所提供的解决方案中受益。
“倾听医生的意见并了解他们如何执行手术对于我们的成功至关重要，” Rouag说。“我们拥有以临床为首要导向的文化，我对此感到自豪。 我们不是在真空中不考虑临床医疗需求来工作。”
与医疗专业人士的这种密切合作关系使 Biomodex 能够创造出一些产品，使医生和学生能够获得他们原本无法练习的治疗程序的培训。
“与Biomodex 的合作对于我们的培训和新程序的开发来说是真正的游戏规则改变者，”Haulon 教授说。 “我无法再想象自己在无法接触到这些3D 打印件的情况下工作。”
“当病人的大脑出现血栓时，你无法真正训练这些程序，因为你必须立即治疗病人，”鲁格说。 “例如，你如何训练年轻的神经介入医生进行这些手术，而不是让他们陪在你身边？ 确实没有任何东西可以模仿这种程序，因此我们被要求开发一个模型来在许多不同场景的受控环境中教授此程序。 当我们向一位世界领先的神经介入医生展示结果时，他的反应是一个大大的微笑和一个‘哇，我想你们一直很忙。’没有比这更有力的赞美了。”
Biomodex 的愿景是彻底改变医疗专业人员计划复杂手术的方式，并成为医疗培训和排练解决方案的首选。
“在使用这种先进技术进行此类手术的培训方面，没有其他人能做到我们所做的，” Rouag说。“我们在比赛中处于领先地位，我们希望保持这种状态。 如果没有 3DEXPERIENCE 平台，我们将无法实现我们的目标。”
达索系统的3DEXPERIENCE实验室以及旗下的设计与仿真品牌为脑动脉瘤的治疗提供了新思路、新方法和新手段，促进了该领域医疗实践的变革性发展。大脑是人类最重要的器官，它控制我们的思想，我们的情感，我们的行为，对人类的生命活动具有至关重要的影响。可以预见，在日益强调精准治疗、个性化治疗的时代，虚拟孪生技术将在保障大脑，乃至整个人体的健康方面发挥越来越重要的作用。
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