达索系统助力医生用虚拟孪生技术来保证复杂儿童心脏手...

寂静回声

2024年，波士顿儿童医院创建了超过400个患者专属3D心脏模型。2025年，这个数字将突破600。这不是科幻小说，而是正在改写儿童心脏外科历史的现实。

更令人震撼的是：一位18岁少女因先天性心脏病导致的循环障碍，体重不足90磅，被当地医疗团队判定"一切正常"。但通过计算流体力学仿真，医生发现她的能量损失是正常值的8倍。手术两周后，她即将出院，迎来全新人生。
这背后的推手，是一位既是心脏外科医生又是工程师的传奇人物——大卫·霍根森博士(Dr. David Hoganson)。霍根森博士并非普通的临床医生。多年来，他一直是"活体心脏项目"(Living Heart Project)的核心成员，更是将虚拟孪生技术从理论带入临床实践的先锋。他的使命很明确：用工程学的精确性，改善患者的临床结果。
接下来，让我们完整呈现这场大卫·霍根森博士在达索系统科学大会的演讲。你将看到，当波音和空客使用的软件被用于修复婴儿心脏时，会发生什么样的奇迹。
非常感谢史蒂夫。能站在这里是我的荣幸。多年来，我有幸参与活体心脏项目，并得到达索系统技术的支持。但我们的工作远不止于此。
实际上，我们真正使用的主要是3DEXPERIENCE平台中的航空航天工具。我们把这些工具应用到先天性心脏病患者身上，解决一些极具挑战性的难题。
技术已经成熟了。工具在那里，仿真能力在那里，计算能力也在那里。关键问题是：我们如何将这些要素整合起来，解决具体的临床问题？
这正是我们在波士顿儿童医院所做的事情——我们努力运用这些工具。有一点很重要：除了极少数例外，我们使用的都是商业软件，和航空航天、汽车工业使用的是同一套软件。我们只是以临床方式应用它，为患者解决问题。
我们工作的使命就是对临床结果产生实质影响。接下来我将分享几个案例，展示我们如何使用这些软件为患者创建工作流程，改善他们的临床结果。
让我们回到8到10年前。这是一位患有极其复杂先天性心脏病的患者，这些是CT扫描的图像。作为医生、心脏病专家和外科医生，我们必须获取这些信息，从多个平面观察，然后在脑海中综合理解发生了什么。
们会结合超声心动图和CT图像，然后仅凭脑海中的记忆走进手术室，告诉自己："好，我们得记住所有那些空间关系，得记住解剖结构的每个细节，然后在手术中即兴想出一个方法，在一个非常小的孩子身上完美地重建解剖结构。"
现在我们的方法是这样的。这是一个根据你刚才看到的CT扫描制作的患者专属三维模型。我们将解剖结构的每一个元素都制作成独立的部件。

在3D查看器中，你基本上可以将解剖结构拆开。你可以从任何解剖特征的组合角度观察。你可以看里面，可以看外面。现在你拥有一张完整的三维地图，不仅可以提前规划手术，还可以带入手术室在术中使用。
可以想象，这是一个绝对的游戏规则改变者。这是一个情况极其复杂的孩子，需要将她所有供应肺部的血管从降主动脉上断开。那六根血管需要通过外科手术连接在一起，经由导管连接到心脏。
她接受手术时只有几个月大。现在她五岁了，恢复得非常好。几周前我刚为她更换了右心室到肺动脉的导管，她现在状况很好。
这真的是从我们过去的做法转变为一个全新范式的革命。我们在手术室使用这些模型进行术中引导。我们有一个无菌控制器。你们中有小孩的人会认出来——那是任天堂Switch控制器，我们把它重新编程为鼠标。
我们在手术室使用它。今天早上我还在手术室，我使用3D模型来理清解剖结构，指导手术。这真的是波士顿儿童医院目前的金标准。
3D模型很漂亮，显然也很优雅，帮助我们以非常定性的方式规划这些手术。但我认为真正产生区别的是：我们如何用这些工具以非常定量的方式规划这些重建和再干预？
我是一名工程师。我们有一个工程师团队，我们真正需要的是：如何处理这些复杂的重建，然后给外科医生提供一个精确的方案——补片的精确尺寸、精确形状，既能完成修复，又能获得出色的短期和长期结果？
这是一位解剖结构超级复杂的患者。你能看到的橙色结构是左心室。在座各位的左心室的工作是将血液泵送到全身。

但在这位患者身上，将血液输送到全身的主动脉却从右心室发出——那个紫色的结构。因此，对于这位患者，我们需要将血液从橙色的左心室重新引导到主动脉，以恢复正常的生理功能。
过去，我们只能在手术室里临场发挥。现在我们可以提前规划。这是从左心室内部看的视图。你可以看到绿色的补片，这是我们需要的补片，用来将血流从左心室通过右心室重新引导。

现在我们能做的是利用3D模型规划这些补片——这是一个工程质量、尺寸精确的患者解剖结构表示。然后使用工程工具设计补片，再用航空航天工具创建平面补片的数学等效物。因为我们大多数补片材料都是平的，然后将其带入手术室。
接着我们借用了另一个航空航天技巧——一种用于定位飞机部件的激光。我们用它将补片设计投影到无菌补片材料上。这是在手术室里。我们描绘出来，剪下来，大约需要两分钟。然后我们将补片缝合进去。
这让我们能够以难以置信的精确度进行转化。事实上，从计算机上的设计到描绘和剪裁出的补片，误差小于2%。
对于其他患者，我们必须在心房或上腔室内重新引导血流。这位患者需要进行心房转换，将来自上腔静脉和下腔静脉的血流重新引导到另一个心房，并将肺静脉血流引导到青色的心房。
我们过去同样是在手术室临场做出所有这些复杂决定。现在我们可以提前规划这些挡板。你可以看到绿色的是来自上腔静脉的挡板之一。橙色是来自下腔静脉的挡板。
我们可以完全提前规划，不仅是概念上的，而且可以在尺寸上进行规划，并将这些方案带入手术室。


对于儿童来说，修复瓣膜极其重要，因为瓣膜必须随着儿童成长。如果你更换它，你将不得不一次又一次地更换。所以修复瓣膜至关重要。
现在我们有了一种方法来制作这些非常精致和复杂的二尖瓣和房室瓣模型。我们已经在患者身上做了近150次，这真的彻底改变了这些复杂患者的一些修复方法。这是我们真正在推进的领域之一。我们还有另一个主动脉瓣修复项目。
现在我们不仅创建这些模型，而且将瓣膜修复规划到毫米级。当我们修复主动脉瓣时，我们实际上带着需要重建的瓣叶的精确尺寸走进手术室。
主动脉在瓣叶处的支撑直径大小——称为窦管交界处，瓣环的大小，一切都规划到毫米级。我们带着一个非常精确的方案进去，执行那个方案。
我们知道如果我们恢复了瓣膜的正常几何关系，它就会工作。它不工作的原因是那些使瓣膜在一开始就能工作的几何关系丧失了。
我们已经能够在超过100位患者的主动脉瓣上做到这一点，取得了非常出色的结果。现在我们正在将这些相同的定量规划方法应用于二尖瓣。
同样，这不仅帮助我们这些波士顿儿童医院的外科医生，而且有助于将一些更复杂的技术民主化，让世界各地的项目都能为他们的患者应用这些技术。
接下来我要分享我们在使用计算流体力学(CFD)帮助患者临床决策方面的一些工作。讽刺的是，这实际上是我们开始的地方。
这是我们作为波士顿儿童医院建模团队所做的第一件事，因为我们认识到这是一个巨大的临床需求。对于一些复杂患者，作为外科医生，你真的不知道该做什么手术，基于他们解剖结构的复杂性以及试图使血流正确。
这主要是在患有单心室心脏病的患者中进行的，他们有一种叫做丰坦循环的循环系统。在这种循环中，血流以被动方式重新引导到肺部。所以没有泵，无论是右心室还是左心室，这一个心室被组织起来将血液泵送到全身。
这种循环依赖于一切都非常非常高效地工作。血流需要以正常方式分配到两个肺，整个连接过程中的能量损失必须非常低才能正常工作。
所以我们所做的是创建了一整套程序，既能创建这些患者专属的3D模型，又能为这些患者建模不同的手术方案。因为我们真的不确切知道哪一个对这位患者最有效，考虑到他们的复杂性。
我们可以创建这些虚拟手术模型，但我们也可以对这位具体患者的生理学进行建模。我们使用MRI的流量，使用导管检查的压力，本质上创建了他们生理学的数学模型。
当我们通过这些不同的虚拟手术方案运行计算流体力学时，我们不是在某种假设意义上建模可能会发生什么。我们在建模如果我们对这个孩子进行这个手术，我们确切期望会发生什么。
我们已经竭尽全力，非常精确地对每位患者的个体生理学进行建模。所以我们在预测我们认为在那个特定患者身上会发生什么。这真的为我们铺平了道路，让我们对这些结果显示的内容相当有信心。
你之前听到的很多内容都是关于建立信任的。不仅是进行建模和仿真的工程团队需要知道他们输出的结果是正确的，整个社区也需要信任。对我们来说是临床社区。
我们产生的结果是可信的吗？我们可以用它们来做临床决策吗？还是不行？所以我们不仅非常细致地使用患者自己的解剖结构创建这些模型，而且非常谨慎地尝试用真实的临床数据验证这些模型。
这不仅仅是看计算流体力学的准确性，那很重要，我们知道CFD是准确的。它考虑的是整个过程：工程团队与临床团队的配合程度如何，提出解决方案，想出外科医生实际要做的手术。
帮助外科医生在手术室中通过术中引导和3D模型实现那个手术，然后实现我们期望的确切临床结果。所以这是整个过程。
你可以在这里看到，在这组患者中，计算流体力学预测了相当均衡地流向两个肺的血流，MRI测量的结果非常接近，但每位患者的百分点变化仅为7%。
我认为这是非常令人鼓舞的数据，它捕捉了整个过程，给了我们和社区很大的信心，让我们继续前进。
我们见证过无数"革命性"技术的发布会。但霍根森博士的演讲不同。这里没有炫目的PPT，没有夸张的修辞，只有一个又一个真实的案例。
一个5岁女孩活着，因为医生在手术前就知道那六根血管该如何连接。一个18岁少女将迎来新生，因为计算机精确计算出她需要22毫米而非20毫米的导管。一个小男孩的肺能均衡接收血流，因为虚拟手术排除了两个会失败的方案。
这就是达索系统所倡导的"生成式经济"的真实面目。不是用AI生成图片或文字，而是在虚拟世界中生成解决方案，然后在现实世界中拯救生命。
3DEXPERIENCE平台原本是为了设计飞机和汽车，现在它在设计心脏修复方案。这种跨界应用揭示了一个深刻的真理：人体和机器遵循相同的物理定律。流体力学不关心流动的是空气、燃油还是血液。结构力学不在乎支撑的是机翼、车架还是心脏瓣膜。
从2024年的400个模型到2025年预计的630个，增长速度惊人。但更令人震撼的数字是：60%的手术量。这意味着在波士顿儿童医院，虚拟规划已经从"尖端技术"变成了"标准流程"。
霍根森反复强调的"民主化"概念值得深思。复杂的双心室修复手术曾经只有顶级医疗中心的少数专家能做。许多医院只能选择更简单但效果较差的单心室方案。
现在，3D模型和虚拟手术规划将这种能力编码化、标准化。一个经验相对较少的外科团队，有了精确到毫米的手术方案，有了术中的3D导航，就能完成过去不敢尝试的手术。这不是降低标准，而是提高底线。
工程师每天都在手术室，这一点格外重要。这不是简单的技术支持，而是真正的跨学科融合。工程师需要理解心脏的生理学，医生需要理解流体力学的原理。只有当两种思维方式真正碰撞，才能产生那些既在医学上合理又在工程上最优的解决方案。
最让我印象深刻的是那个任天堂Switch控制器的细节。医疗设备往往价格昂贵，认证复杂。但霍根森团队直接将游戏手柄重新编程为手术室的无菌鼠标。这种实用主义精神，这种"只要能解决问题就行"的态度，恰恰是工程师文化的核心。
在达索系统的3D UNIVERSES中，虚拟与现实的界限正在消融。不是因为虚拟变得更真实，而是因为虚拟开始能够改变真实。当一个18岁女孩因为虚拟仿真而获得正确尺寸的导管，虚拟世界的价值就不再需要证明。
这就是生成式经济的真谛：不是生成内容，而是生成解决方案。不是取代人类，而是增强人类。不是追求完美的仿真，而是追求可验证的预测。
从航空航天到心脏外科，从波音机翼到婴儿心脏，这条路看似曲折，实则笔直。因为在物理学的眼中，它们从来就是同一个问题：如何让流体高效流动，如何让结构稳定可靠，如何用最少的能量损失完成最复杂的功能。