冠状动脉搭桥手术虚拟仿真APP助力精准外科

IBEsim

一、背景介绍
冠状动脉是供给心脏血液的动脉，起于主动脉根部主动脉窦内，分左右两支，行于心脏表面。冠状动脉粥样硬化性心脏病，简称冠心病，也叫缺血性心脏病，会直接引起稳定型心绞痛、非稳定型心绞痛、心肌梗死或者心脏骤停，严重者会导致死亡。动脉粥样硬化会使得血管变得僵硬，并产生斑块，进而引起管腔狭窄或闭塞，造成心肌缺血或坏死。目前我国冠心病患者有1100多万人。根据《中国卫生健康统计年鉴》的数据，近年来我国每年因冠心病死亡的人数超过150万人，死亡率总体保持上升趋势。其中，城市居民的死亡率从2017年的11.5人/万人上升至2021年的13.5人/万人；而农村居民从2017年的12.2人/万人上升至2021年的14.8人/万人。

图1 我国冠心病死亡率变化趋势

治疗冠心病的方式主要有三种，即药物治疗、经皮介入治疗和冠状动脉搭桥术。其中，冠脉搭桥术是治疗严重冠心病（主要指左冠状动脉主干狭窄、三支病变以及不能使用介入治疗的弥漫性冠脉狭窄）的常用外科手术，可恢复相应的心肌供血，使严重冠心病患者获得生机。因此，冠状动脉搭桥成为了拯救冠心病患者生命的最后一道保障。

图2 冠心病非药物治疗方案

血流动力学环境与动脉粥样硬化的分布密切相关。异常血流动力学现象常出现在人体特定的部位之外，最常出现的区域就是心脑血管手术部位，这会直接影响手术的长期有效性。当前冠状动脉搭桥手术以临床经验为主导，手术长期效果的优劣取决于临床医师水平，因而临床迫切需要一种虚拟仿真系统来帮助医生对不同手术方案进行对比，选择更优的手术方案，从而达到最佳治疗效果。

二、医学仿真解决方案
目前，流体仿真技术在心血管医疗领域的应用门槛较高，主要原因在于医疗与工程的交叉应用需要复合背景知识的融会贯通。为了降低医疗或工程人员的专业技术门槛，使其可以“自主可控”地改进搭桥手术规划方案，并助力心外科医生的手术经验培养，本方案采用自主通用的多物理场仿真PaaS平台Simdroid软件进行血流动力学仿真，并无代码化封装冠状动脉搭桥手术虚拟仿真APP，供医疗工作者参考使用。


冠状动脉搭桥手术虚拟仿真就是针对拟实行搭桥手术的冠心病患者，从血流动力学的角度优化搭桥手术方案，以期获得最佳的手术效果。其基本思路是导入患者心血管模型，设置拟行搭桥手术的桥血管位置参数，建立桥血管几何模型，将患者心血管模型与桥血管几何模型进行融合以构建不同手术方式的术后模型，再输入患者的生理参数和边界条件参数，进行流体仿真计算，就可以得到虚拟搭桥手术术后的血流动力学情况。


1、医学模型建立
选用患者冠状动脉+主动脉增强CT影像数据，通过图像分割、建模以及模型优化，获得患者可用于仿真计算的冠状动脉及主动脉模型，如下图所示。

图3 从DICOM数据到医学模型的建立

2、参数定义
本案例针对存在右冠状动脉弥漫重度狭窄病变的患者，模拟仿真大隐静脉桥接在升主动脉不同位置的血流动力学情况，进而实现冠状动脉搭桥的血流动力学手术规划目的。因此，参数主要包括桥血管的位置参数、血液材料参数、生理参数、求解设置参数等。

图4 Simdroid定义参数界面

3、构建完整计算模型
利用Simdroid的2D草图创建以及三维建模功能，以建立的患者医学模型为基准，构建从右冠状动脉狭窄远端至升主动脉的桥血管几何模型，将桥血管的相对位置与角度参数化，便于后续灵活调节桥血管相对患者心血管的位置。将建立的桥血管模型与医学模型进行并集融合，形成一个完整的模型。

图5 患者医学模型上建立桥血管

4、网格划分
Simdroid具备多种网格划分功能。此处可参数化设置最大网格尺寸，用于控制计算精度，并采用四面体网格类型进行剖分，可将整个模型离散化，用于后续的求解计算。

图6 Simdroid网格剖分模型

5、求解设置
求解设置主要包括材料属性、生理参数、边界条件、并行计算、迭代步数等参数的设置。在此，本案例将血液材料属性简化为牛顿流体，设置稳态单相层流进行求解。通过文献查阅，设置血液黏度为0.0035Pa*s、血液密度为1060 kg/m³。


Simdoid支持多种出入口边界条件设置，包括速度入口、压力入口、压力出口、自由流等。此处边界条件设置主要借用生理参数计算得来。其中，入口条件设置为主动脉压力，此参数可通过测量患者血压计算得来；出口条件设置为质量流量，可以通过患者的每搏输出量、心率、各出口血流分配系数计算得来。

图7 Simdroid求解设置边界条件

Simdroid可以设置并行计算核算，用于加速计算，也可以考虑重力加速度，以模拟患者不同体位下心血管血流情况。此外，通过监控残差曲线，可以查看求解收敛情况。


6、结果后处理
Simdroid有强大的结果后处理显示功能。本案例中，主要通过云图查看血管内的血流分布、压力分布和壁面剪切力分布，也可以通过流线图、矢量图、切片图表达计算结果情况。

图8 计算结果-速度流线图

图9 计算结果-速度矢量图

图10 计算结果-压力云图

图11 计算结果-壁面剪切力云图

7、仿真流程封装
在虚拟手术规划过程中，通常需要灵活调整桥血管吻合位置，以便获得不同规划方案。通过比较不同手术方式的血流动力学差异，可避免危险性血流动力学因素，进而辅助临床进行手术决策，起到优化手术效果的目的。


通常，仿真全流程的操作设置过程比较复杂，需要专业的仿真工程师依次设置相关参数，耗时费力。Simdroid可将仿真流程进行封装，保留关键的参数设置、菜单及按钮设置，可以简化用户对参数的调整过程。当工程师将上述模型采用Simdroid完成仿真流程后，可以通过Simdroid所具备的APP开发器功能，采用最基本的拖、拉、拽等无代码化操作方式快速封装完整的仿真流程。

图12 使用Simdroid中APP开发器功能封装仿真流程

工程师通过Simdroid完成仿真以及APP开发器封装仿真流程，可形成冠状动脉搭桥虚拟手术规划仿真APP。用户在本地装有Simdroid平台软件的电脑上，可打开本APP，通过设置桥血管位置参数、生理参数等后进行求解计算，即可实现手术方案的调整。
另外，还可以通过编译方式，将仿真过程中使用到的软件功能进行轻量化打包，形成*.exe格式的文件，该可执行文件可以脱离Simdroid平台在任意电脑端独立使用，用户无需安装Simdroid软件（此类应用方式，已有知名心外科医院采用）。

图13 仿真APP界面及功能分布

更为便捷的是，封装好的仿真APP还可以上传到工业仿真APP商店Simapps平台，云原生部署与在线应用。用户可以零门槛低成本、跨平台跨终端随时随地云平台用仿真。欢迎在线体验本案例仿真APP，可点击链接：https://www.simapps.com/v2/engineering-app/all/211302

三、关于Simdroid
Simdroid（中文名“伏图”）是云道智造自主研发的通用多物理场仿真PaaS平台，具备自主可控的隐式结构、显式动力学、流体、热、低频电磁、高频电磁、多体动力学等通用求解器，支持多物理场耦合仿真。在统一友好的环境中为仿真工作者提供前处理、求解分析和后处理工具。同时，作为仿真PaaS平台，其内置的APP开发器支持用户以无代码化的方式便捷封装参数化仿真模型及仿真流程，将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP。欢迎使用Simdroid平台开发（定制）属于您自己的仿真APP：https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid