达索系统：肺脏和呼吸的虚拟孪生

寂静回声

在达索系统举办的第11届人体虚拟孪生研讨会上，来自加州大学河滨分校(UCR)的博士后研究员Arif Badrou带来了一场关于"活体肺脏"的演讲。原本应由他的导师Mona Escandari教授亲自出席，但因病未能成行，Arif代表团队分享了他们如何用系统工程的方法，一步步构建出能够真实仿真人类肺部力学行为的虚拟孪生模型。

这不是一场普通的学术报告。它展示的是一种思维方式：如何将实验台上的数据、显微镜下的结构、计算机里的方程，编织成一个完整的认知体系。正如科学家理查德·费曼所说的那样，"我们只有通过构建，才能真正理解。"而Arif和他的团队，正在构建一个活着的肺。


以下是Arif Badrou演讲的大致内容：
大家好，我是Arif Badrou，在加州大学河滨分校从事博士后研究工作，主要方向是肺力学。非常感谢主办方的介绍，也很高兴能有机会代表我们实验室，向大家展示我们在肺部生物力学方面的工作。
我们实验室的研究聚焦于结构性肺部生物力学，采用的是跨尺度的实验与仿真相结合的方法。我们的最终目标，是将基础的生物力学研究与真实的临床应用连接起来，让科学研究真正服务于患者。

在我们实验室，有一个核心的研究循环：理论、实验和仿真，三者缺一不可。实验为我们提供从器官到微观结构的生物学数据，这是一切的基础。有了数据，理论为我们提供解释这些观察现象的方程和框架。

最后，仿真将这些洞察整合起来，让我们能够测试那些在实验室里难以实现或无法捕捉的假设和条件。这个循环帮助我们跨越不同的尺度，发现新的机制，启发新的诊断技术。
我们希望，最终能将这些发现转化为床旁的实际应用，改善患者的治疗效果。过去几年里，我们实验室一直与达索系统合作，支持"活体肺脏"模型的开发，这与"活体心脏"项目的愿景是平行的。

我们的目标是虚拟地分析患者的健康状况，并据此定制治疗方案。当然，今天我主要讨论的是肺部，所以请允许我用一分钟时间，简单介绍一下这个器官的关键特征。
人类的肺由两个叶状器官组成，外层包裹着一层薄膜，叫做胸膜。在肺的内部，气道不断分支，在气道的末端，我们能找到成簇的小气囊，叫做肺泡，气体交换就在这里发生。

这里有一个很重要的区分，就是负压呼吸和正压呼吸的区别。负压呼吸是生理性的呼吸方式。吸气时，膈肌下降，导致胸腔内压力降低，空气被吸入肺部，肺随之充盈。
而正压呼吸，则是当空气直接被送入气管时发生的，就像机械呼吸机所做的那样。这两种不同的通气模式，催生了非常不同的技术。
铁肺是最早的负压通气设备之一。你能看到它有多么笨重和受限。正是这些挑战，推动了现代机械呼吸机的发展，也就是基于正压通气的设备，它们更加实用，也是今天广泛使用的。


不幸的是，使用机械呼吸机并非没有风险。最严重的并发症之一，就是呼吸机相关肺损伤，简称VILI。当过度的压力或容量过度拉伸肺组织时，就会导致炎症或进一步的损伤。
比如，有一项研究显示，仅仅将潮气量从12毫升/公斤降低到6毫升/公斤，就能显著改善预后，存活率提高了约20%。这就引出了一个重要的问题：在呼吸和通气过程中，肺部实际承受的力和变形到底是什么？


在我们实验室，一个重要的研究方向就是评估负压通气和正压通气之间的力学差异。为此，我们开发了各种实验技术和设备，接下来我会向大家展示。
我们设计了一套PV通气系统，能够同时复现人工呼吸和生理性呼吸。这个装置使用一个气密罐、两个活塞和一套电机械系统。这个设置有几个独特的优势。


首先，我们实现了连续测量，而不是离散测量，这让我们对肺力学有了更完整的认识。其次，这个设置是生理性的——我们用空气充气，并且考虑了气体的可压缩性。
第三，我们施加容量并记录产生的压力，这与传统系统正好相反，这帮助我们捕捉到黏弹性行为。最后，这项工作是首次在负压通气和正压通气之间进行直接比较的研究。
这成为可能，是因为同一个肺标本只需轻按开关就能进行两种模式的测试，最大程度地减少了混杂因素。接下来，我们将这个系统与数字图像相关(DIC)方法相结合。

我们进行了首次全肺器官级别的数字图像相关——这是一种非接触式应变测量技术。这让我们首次能够将整体的压力和容量测量，与局部的组织响应联系起来，从而评估机械强度，理解导致这些力的气流机制。
利用我们的PV和DIC系统，我们发现肺比简单的海绵要复杂得多。它们实际上在力学响应上表现出各向异性和异质性。比如这里，你可以看到主应变和次应变的分布。
我们获取的数据量是相当可观的。最重要的是，我们独有的呼吸微观装置——这是DIC的一个改进版本——让我们能够将刚才展示的局部应变和变形测量，与整体的压力和容量关联起来。
我们开发了一套坚实而稳健的实验流程，能够连续地、跨多尺度地表征肺力学，并且可以针对不同物种，包括人类，进行定制。虽然我没有详细展开，但我们还进行了双轴测试和简单平面测试，来表征肺的每个组成部分，为我们的模型提供数据。
当然，我们的最终目标是构建一个人类肺模型。一个可以用来预测、分析、理解，甚至用来培训的模型。要实现这样一个模型，需要结合多种资源和研究，包括实验和数值方法。

我想重点介绍的项目，是我们开发的3D全器官呼吸模型，它让我们离真正的人类肺模型更近了一步。在这个项目中，我们的目标是开发一个广义的人肺充气模型。
想法很简单：使用我之前描述的PV系统设置，再使用一个包含复杂细节的人肺几何模型，比如气道和包膜裂隙。然后，我们可以利用连续的、多尺度的实验数据，直接输入这个模型。
当然，我们需要一种方法让这个几何模型"活"起来。在我们的模型中，肺的主要组成部分都被表征了。气道被表示出来，它们穿过肺实质，也就是肺的功能组织，并嵌入其中。
我们的模型是多孔弹性的。利用达西定律，压力可以流向可渗透的肺组织，压力被施加到气道末端的节点上。选择这种特定的方法，依据的是我们的实验观察。

充气并不是均匀的，而是在特定位置涉及区域性的"爆裂"。然后，我们将用户模型应用到几何体上，对气道使用梁单元，截面尺寸直接从几何体中测量。
简单说，我们对胸膜使用膜单元，对实质使用实体单元。好，现在我有了模型，我想仿真实验。所以我会修改模型来实际代表实验设置。


为此，我们修改网格，在右侧包含三个肺叶，左侧包含两个肺叶。我们还让气管部分——这个蓝色部分——变成刚性的，以反映我们实验中使用的坚硬塑料管。
正如我之前提到的，我们使用当前压力，并将这个压力施加到靠近这些气道末端的节点上。这里是迄今为止模型的一些演示，使用的是任意的材料参数。



第一步是定义患者特定肺的实验充气过程，然后我们记录压力，将其作为有限元模型的输入。接着，我们定义与模型相关的不同参数，并定义目标函数。
这里的目标是匹配实验的容量和应变。然后，我们使用非线性最小二乘求解器，得到一个校准过的模型。我们针对患者特定的案例测试了整个流程。

下一步是定义需要优化的参数。我不会讲太多细节，简单说，我们对不同成分使用超弹性本构关系。由于我们使用的是多孔弹性模型，我们为不同肺叶定义了不同的渗透率。

在运行这个流程几天后，我们得到了一个校准过的模型。这就是模型的参数。我们的模型能够实现人肺充气的关键特征，比如复杂的压力-容量曲线。
这里我们比较了五个肺叶在不同充气阶段的平均应变。我们的模型能够实现相同的应变复杂性和每个肺叶的应变分布，这是相当令人兴奋的。


最后，在底部你可以看到整个肺表面的应变重复性，显示出良好的相关性。这里还有一些其他结果。我们有气道的位移和内部的压力梯度。
有一点很有意思。当我们仔细检查应变，特别是右中叶的应变时，你可以看到我们有很好的相关性。这个肺叶，你可以在右边看到，特别值得关注，因为它通常表现出复杂的应变模式。

虽然我们开发了完整的逆向有限元分析流程，初步结果也很有希望，但我们仍然不完全满意。

首先，这个模型是纯粹通用的，而我们知道一个患者与另一个患者之间的差异有多大。
其次，我们没有考虑任何异质性，尽管这个特征对于肺结构的复杂性来说至关重要。
最后，我们没有表示肺部疾病导致的任何病理变化。


这就是为什么，在我们现在进行的项目中，我们正在使用动物模型。目标是构建一个患者特定的大鼠肺模型。
第一个问题是：为什么是动物模型？因为比如你看这里，比较猪和人的气道网络，你会发现它们真的很不同。那么，我们从动物身上学到的东西，真的能转化到人类吗？


实际上，动物模型能给我们提供其他方式无法获得的东西——丰富的数据。一切都可以被控制，包括它们的基因、环境和疾病暴露。我们也能获得对人类部分的洞察。
还有一点很有趣，我们注意到在疾病状态下，力学特性会发生改变。比如在一项研究中，我们调查了九个感兴趣区域的应变，发现在健康和疾病状态之间，力学特性是不同的。


在这个正在进行的项目中，正如我所说，我们的目标是构建一个患者特定的模型，捕捉VILI引起的病理变化。为此，我们使用从实验成像中获得的特定肺几何形状和验证数据。
为了解决区域性不均匀充气和不同的"爆裂"问题，我们计划使用各向同性膨胀系数的替代物，以簇的形式来捕捉这种异质性充气。
最终目标，如果我们能解决的话，是开发一个对照组与VILI肺充气数据的可信模型。简单说，在实验方面，我们有两个种群——VILI组和对照组。



我们使用我之前描述的PV系统的微型版本，这里在底部显示。我们使用3D扫描仪获得完全相同的几何形状，然后我们用DIC对齐所有几何体，确保一切匹配。
这真的是引擎下的核心。我不会深入太多细节，因为这个流程与人肺模型非常相似。主要区别在于，我们使用的是相同的几何形状，并且我们考虑了异质性。


为此，我们开发了一个算法，创建单元簇，代表肺中的肺泡组。这里是一些初步结果。我们可以看到，对于VILI标本，我们获得了良好的一致性，特别是在压力-容量曲线和应变方面。
有一点不同，正如我所说，这里我们正在比较实验和模型之间完全相同的应变，而不像人类项目那样。在底部，你可以看到不同的充气视频，我们比较对照组与VILI组。


最近，我们的团队发现，与负压相比，正压实际上会过度拉伸肺组织。这是一个重要的发现，因为它突出了机械通气如何实际上对肺组织施加非常不同的力学负荷。
通过这个正在进行的大鼠项目，我们希望能够指导和定义更好的通气策略，以便更好地告知呼吸机的设置，并量化正压通气和负压通气之间的这些差异。
实现完整的人肺模型是一条漫长的道路。我们必须处理不同的困难，比如患者的可变性、各向异性、异质性，以及确保我们预测的东西实际上能够匹配现实。
这些步骤正是我们从通用3D肺模型走向虚拟孪生所需要的要素——一个可以是患者特定的、临床可预测的模型。

现在的问题是，这样一个模型如何有用？我如何在现实生活中使用人肺模型？首先，正如我之前提到的，我们可以设置不同的通气策略，帮助更好地告知操作程序。

我们还可以将疾病导致的病理变化整合到模型中，以理解气流力如何重新分布，应力如何在肺内集中。有一点非常有趣，我将以此结束。
当我们比较血管系统和肺系统时，可以看到相似之处是显而易见的。两者都涉及管道中的流动，都有泵送机制，两者的结构也相似——组织成分相似，都有控制主要功能的纤维。
在疾病方面，我们也有同样的情况——血管有动脉粥样硬化，气道有慢性支气管炎。重要的是，我们在血管研究方面的进展远远超过了呼吸系统疾病的研究。
我们可以借鉴这些方法，将一切适应到肺研究中，帮助我们更好地理解和治疗疾病。



主持人：非常精彩的演讲，Arif。看到你们如何将复杂的力学实验转化为虚拟孪生模型，这确实令人震撼。我想先替观众问一个问题，既然你们已经发现了正压呼吸和负压呼吸在力学上的巨大差异，这是否意味着目前的呼吸机设计方向需要彻底改变？
Arif：这是一个非常敏锐的问题。目前的机械通气确实是一种“违背自然”的物理过程，但它又是目前最有效的生命支持手段。我们的研究并不是要否定正压呼吸机，而是要通过模型告诉医生，那种“一刀切”的通气参数是多么危险。利用虚拟孪生，我们可以根据每个病人的肺部几何形状和实时的组织弹性，计算出一个“安全窗口”，从而避免VILI的发生。
观众提问：博士您好，您提到了肺部的各向异性。在您的3D模型中，这种各向异性是如何在数学上定义的？它是否会随着充气压力的增加而动态变化？
Arif：是的，它当然是动态变化的。在我们的模型中，我们使用了超弹性定律（hyper-elastic laws）来定义不同的组成部分。各向异性主要源于组织内部的胶原纤维和弹性纤维的定向分布。当肺部膨胀时，这些纤维被拉直并重新排列，导致其刚度在不同方向上发生非线性变化。我们的逆向有限元分析就是为了校准这些复杂的材料参数。



主持人：还有一个关于达索系统平台的问题。您在开发这个“活体肺脏”的过程中，3DEXPERIENCE平台对你们的协作和计算起到了什么样的作用？
Arif：平台的作用是决定性的。我们需要处理的不仅仅是几何网格，还有海量的实验图像数据和流体力学计算。达索系统的平台提供了一个统一的环境，让我们能够把实验部门的几何扫描数据、生物力学部门的材料参数以及计算部门的仿真流水线无缝整合在一起。这种多尺度、多学科的协同，如果没有这种级别的工业化软件支持，几乎是不可能完成的任务。



观众提问：最后一个问题，您认为我们距离真正的、可以走进临床的“虚拟孪生肺”还有多远？是五年还是十年？
Arif：这取决于我们对“真实”的定义。目前我们已经能做到针对特定个体的几何建模和初步力学预测。但要达到“临床预测”级别，即医生可以完全依赖模型来做决策，我们还需要解决异质性和病理演化的精确模拟。但我对此持乐观态度，随着生成式经济下计算能力的爆发，这个时间点可能会比我们预想的更早到来。



这场关于“活体肺脏”的演讲，本质上是一场关于“精准”的革命。从阿利夫·巴德鲁博士的分享中，我们看到的不仅是生物力学的进步，更是一种全新的工业范式的诞生。这就是达索系统一直倡导的：通过虚拟世界来改进现实世界。
在过去，医生只能凭借经验和平均数值来操作呼吸机，而现在，通过3DEXPERIENCE平台和虚拟孪生技术，每一个肺叶的扩张、每一处气道的压力都变得清晰可见。这种从“模糊医疗”到“数字精准”的跃迁，正是生成式经济的核心特征——通过数据和模拟，创造出超越传统的价值。
理查德·费曼曾说：“凡我不能创造的，我都不理解。”巴德鲁博士和他的团队正在通过“创造”一个肺，来真正“理解”呼吸。当科研不再局限于试管和显微镜，而是进入了多尺度模拟和虚拟孪生的广阔天地，人类对生命奥秘的探索，才真正进入了无人之境。

达索系统的“活体肺脏”项目，不仅是技术上的突破，更是人类对生命敬畏之心的体现。当我们能用数字化的手段精准守护每一次呼吸，科学便完成了它最崇高的使命。这不仅是一场技术的长征，更是一次关于人类生命韧性的数字史诗。