达索系统眼睛虚拟孪生最新进展

寂静回声

在达索系统科学周的舞台上，哈佛医学院兼马萨诸塞州眼耳医院的Joseph Rizzo博士，带来了一个令人振奋的发现。他用前所未有的4D血管成像技术，第一次让我们看清了眼睛里真正的"交通图"。

这不仅是一次医学突破，也是达索系统3D UNIVERSES虚拟孪生理念在生命科学领域的一次完美诠释——当虚拟世界与真实世界深度融合，我们就能看见过去看不见的东西，理解过去无法理解的现象。


Joseph Rizzo博士的演讲内容大致如下：
第一章：微米级的盲区与被忽视的生理结构
我是Joseph Rizzo，来自哈佛医学院和马萨诸塞州眼耳医院。今天我要讲的故事，始于六年前与达索系统Phil Borchard的一次相遇。当时我们只是随便聊聊，谁也没想到，这次对话会演变成一个改变眼科学的项目。

我还要特别要感谢Steven Levine，他一直密切关注我们的进展，还有乔·鲍德温，他每两周都会领导我们的工作会议。这真的是一个团队努力的结果，涉及达索系统和哈佛医学院的多个团队。

我们的主要兴趣是理解某些重要失明形式的原因。首先是青光眼，它影响1%到2%的普通人群。另一个是NAION，全称是非动脉炎性前部缺血性视神经病变。你可以把它想象成视神经的中风——不是大脑本身的中风，而是连接眼睛和大脑视觉部分的视神经的中风。
当我们观察一个NAION患者的眼底时，情况是非常惊人的。通过散瞳观察，正常的视神经应该呈现为一个清晰的圆形结构，它是视网膜上数百万神经元轴突汇聚并向大脑传递信息的通道。然而，当视神经头发生“中风”时，这个原本平整的圆盘会变得肿胀，并伴随大量的出血。这种损伤通常会导致患者失去一半的视野，往往是下半部分视野的缺失，有时则是上半部分。



第二章：横跨两个半世纪的血液循环之谜
科学家们对这一区域微血管系统的兴趣已经持续了几个世纪。早在1755年，解剖学家兼艺术家曾恩（Zinn）就制作了一系列精美得令人难以置信的解剖图。在那些古老的木版画中，他精确地描绘了沿视神经纵向运行的细小血管。这些血管负责为视神经头供血，它们是我们眼科学界研究视神经血液循环的经典参考资料。

解剖学告诉我们，这些血管在到达眼球后部时会发生分支。一部分分支直接进入眼球内部，另一部分则进入视神经。在这个区域，存在一个被称为曾恩-哈勒圆（Circle of Zinn-Haller）的吻合血管环。从进化的角度来看，大自然似乎意识到这个区域的脆弱性，因此特意设计了这套额外的血液供应方案。然而，具有讽刺意味的是，所有这三个关键区域的分支，其实都源自于同一根血管，即睫状后动脉。
为了在现代科学层面理解这些血管，我们需要超越传统的插图。在实验室中，我们对人类眼眶组织进行了极高精度的解剖。眼眶内充满了脂肪组织，其中包裹着极其脆弱的血管。我们采用了一种特殊的化学技术，使周围的组织变得透明，并向血管内注入染色剂。通过先进的激光成像技术，我们能够捕捉到这些血管的三维形态，从而获得了前所未有的视觉资料。
在2024年3月的一次关键实验中，我们成功捕获了眼眶内视神经全长的血管分布。红色代表注入染色剂的眼动脉，它是颈内动脉进入眼眶后的第一道分支，供应着眼眶内包括睫状后动脉在内的所有关键血流。通过四维动态影像，我们可以多角度地观察这些血管是如何沿着视神经缠绕并分支的。这种数字化的呈现方式，让我们第一次看清了维持视觉活力的“生命线”全貌。


第三章：进化的权衡与血流动力的“沼泽”假说
随着研究的深入，我们发现了许多令人意外的解剖特征。当我们改进了成像技术后，视神经周围显现出了成百上千条微细血管，其数量之多远超我们之前的认知。我们利用自动化策略对这些血管进行追踪，记录下每一条血管的空间坐标和管腔直径。这种精确的数据化是建立生物力学模型的基础，因为我们要理解的不仅是形态，更是血流。

在观察中我们发现，这些微血管在接近眼球后部时，其走行路径表现出一种违反直觉的扭曲感。例如，某些血管在进入视神经之前会先绕出一个巨大的圆环。这种几何上的复杂性必然会对血流动力学产生显著影响。甚至我们还观察到了血管分支后又重新融合的奇特现象。这些从未被报道过的解剖细节，正在挑战我们对微循环稳态的理解。

目前我们正在验证一个核心假说：视神经头的脆弱性可能源于进化过程中的一个权衡。睫状后动脉同时向三个区域供血，其中两个区域处于较高的动脉压力之下，而第三个分支则向一个被称为脉络膜的广阔区域供血。脉络膜就像一个巨大的“沼泽”，它容量极大，但内部压力极低。为了维持视网膜的代谢，必须有大量的血液流进和流出这个低压系统。
我们推测，当全身血压下降时，血液会优先流向那个低压的“沼泽”区域，即脉络膜，而流向视神经头及曾恩-哈勒圆的血量则会急剧减少。这种物理上的“虹吸效应”可能导致视神经在血压波动时发生缺血。虽然进化的目的是通过血管环提供双重保障，但这种共享同一压力源的结构设计，反而埋下了隐患。这或许是大自然在设计精密器官时留下的一个小小疏漏。

我们的研究意义不仅在于失明。这种通过微细血管建立血流模型的逻辑，可以推广到全身各个器官。以脑部为例，60岁以上的老年人在进行MRI扫描时，大脑白质中常会出现一些小白点。我们知道这些白点代表了微血管病变，它们影响着灵长类动物并行处理信息的神经纤维。但其确切原因一直不明。通过建立眼部的虚拟孪生模型，我们或许能找到解救大脑、心脏、肾脏和肺部微循环障碍的钥匙。


第四章：从几何结构到系统行为建模
以下是Salwa Anam的演讲部分：
大家好，我是Salwa。刚才Rizzo医生为我们阐述了深刻的临床背景。现在，我将从建模与仿真科学的角度，介绍我们是如何将这些解剖发现转化为虚拟孪生实体的。我们的目标是解开眼睛结构组件与血液动力学组件之间相互关系的谜团。这就像在拼凑一个巨大的拼图，我们首先建立了一个通用的三维眼球模型，并加入了仿真眼球运动所必需的力学组件。


然而，在尝试仿真血液动力学时，我们遇到了巨大的挑战。最初，我们在3D模型上添加了一些大尺度的通用血管网络，并尝试通过计算流体力学（CFD）仿真来匹配文献中的血流参数。但我们很快意识到，里佐医生展示的那成千上万条细微的动脉、毛细血管和静脉，在传统的三维网格建模中几乎是不可计算的。如果我们要包含每一个微小分支的影响，计算量将呈指数级增长。

为了突破这个瓶颈，我们引入了“系统行为建模”方法。这种方法常用于航空航天和汽车工业，专门处理具有大量相互依赖组件的复杂系统。我们不再死板地构建每一个三维几何形状，而是绘制出整个系统的逻辑地图。我们定义每一个组件的数学模型，找出描述它们之间相互关系的控制方程，并设定输入和输出。这种抽象化的处理方式让我们能够高效地仿真整个复杂网络的宏观表现。

在具体实现上，我们利用了流体与电路之间的物理类比。这在生物力学中被称为“降阶建模”或“风箱模型”。简单来说，血液在具有阻力和顺应性的血管中流动，在物理逻辑上等同于电流在具有电阻和电容的电路中流动。血管两端的压力差则对应于电路中的电压降。通过这种转换，我们可以利用3DEXPERIENCE平台上的Dymola软件，将复杂的血管网映射为一个精密的电路图。
我们首先复制了文献中关于视网膜中央动脉系统的数学模型。在这个电路中，我们试图重现已知的生理行为。例如，医学常识告诉我们，眼内压（IOP）会直接影响血流。当眼内压升高时，它会压迫血管，导致血流速度下降。在我们的Dymola模型中，我们通过调节代表眼内压的参数，观察到电流（即血流量）随之下降。这种仿真结果与临床预期高度吻合，证明了系统建模路径的有效性。
目前，我们正致力于精细化调节电路中的各项参数，以期获得与医学文献数值完全匹配的高仿真度结果。我们的研究重点已经转向了Rizzo医生最关注的睫状后动脉分支。通过建立这些分支的流体-电路类比模型，我们希望能够复现视神经头区域那种微妙的压力平衡。这是理解NAION发病机制的关键一步。我们的最终愿景是将这种基于逻辑的系统模型与最初构建的高精度三维几何模型建立双向连接。三维模型提供精准的解剖约束，而系统模型提供高效的动力学运算。通过这种“虚拟孪生”技术，我们可以构建出一个完整、动态、可预测的眼球循环系统。这不仅是对一种盲症的研究，更是对人体复杂系统仿真技术的一次重大飞跃。
我要特别感谢我的同事斯瓦蒂，她在Dymola建模方面提供了不可或缺的专业支持。我们的工作证明，工程学与医学的交叉能够照亮原本黑暗的生理盲区。通过在虚拟世界中仿真成千上万种可能的压力组合与解剖变异，我们正在为未来的精准诊断和预防性医疗铺平道路。


观众提问：感谢您的精彩演讲。我对仿真的时间尺度非常感兴趣。在您的仿真中，时间步长是如何设定的？此外，现实中人们会通过改变生活方式或进行非药物性的锻炼来尝试延缓视力下降，甚至有人声称视力得到了恢复。您的研究能否解释这些长期生活方式改变对眼部健康的影响？
Salwa：这是一个非常深刻的问题。从仿真的角度来看，如果使用传统的三维CFD仿真，要仿真长时间跨度的效应确实极其困难，计算成本无法承受。但通过我们现在的系统模型，虽然目前我们主要关注单一心动周期内的变化，但它具备运行长时间仿真的潜力。系统模型可以在几分钟内完成现实中数小时甚至数天的生理过程仿真。
Salwa：关于生活方式，我认为仿真能够提供一种直接的、甚至是可以作为处方的参考信息。通过仿真，我们可以直观地看到某种生理参数的改变——比如长期运动带来的基础血压变化——会对视神经微循环产生怎样的长远影响。虽然我们现在还不能给出所有的答案，但这种仿真能够支持我们做出更具预见性的知情决策。
Dr. Rizzo：我补充一点。对于临床医生来说，理解这些微小的时间步长（微秒或纳秒级）如何累积成数年的病理改变至关重要。如果我们能证明某种特定的压力波动模式是致病的元凶，那么我们就能更科学地建议患者如何调整他们的生活习惯。

通过这场来自哈佛医学院与达索系统的深度演讲，我们见证了医学研究正在经历的一场深刻变革。研究者们不再满足于对病灶的静态观察，而是试图通过物理学的第一性原理，重构生命的运行逻辑。
从曾恩时代的木版画到今天的虚拟孪生，人类对眼球这个精密器官的认知已经从单纯的解剖描述进化到了动力学预测。
这种技术的成熟，预示着一个全新的医疗时代的到来。在未来，每一位患者或许都拥有属于自己的虚拟孪生眼球。医生可以在虚拟空间中测试各种治疗方案，观察血压波动对视神经的影响，从而在现实中的损害发生之前，精准地阻断致盲的路径。这不仅是眼科学的胜利，更是人类智慧在生物力学领域的一次伟大远征。