透過 CAE 模擬快速制定心臟手術計畫

先天性心臟病 (CHD) 是最常見的出生缺陷類型，每年在美國約有 40,000 名新生兒受到影響，值得慶幸的是，幾乎所有患有簡單缺陷的孩子都能順利成長，並過上正常的生活。但其中約有四分之一的孩子患有更複雜的先天性心臟病，需要外科手術介入。先天性心臟病有很多種，解剖結構也各不相同，這意味著幾乎每個患者的手術計劃都是不同的，因此了解每個患者心臟的複雜性，對於獲得良好的手術結果至關重要。

心臟外科醫生通常會使用 2D 影像工具，像是超音波心動圖、心臟電腦斷層掃描 (CT) 和核磁共振 (MRI) 來進行術前規劃，雖然它們是很棒的診斷工具，但在 3D 可視化的能力有限，只有當患者躺在手術台上時，外科醫生才能看到心臟的 3D、甚至是 4D 的細節，幾乎沒有時間和空間來計劃和進行完美的重建手術。

波士頓兒童醫院心血管 3D 建模和模擬項目，是由 David Hoganson 醫生和 Peter Hammer 醫生共同領導，他們創建了使用 3D 模擬工具的術前計劃標準並將其制度化，以便外科醫生在進入手術室前能夠進行多種類型的可視化和預測。工程師和醫生團隊會為每位患者創建他們的心臟和血管 3D 模型，來進行術前規劃和術中指導。

Hoganson 醫生說：「做出最佳治療決策的關鍵在於，了解每位患者的具體解剖和生理特徵，我們組建了一個團隊，透過建模和模擬技術來研究先天性心臟病，以更好地理解和預測哪些手術和治療方案是最適合每個孩子的。」

 

將 CAE 模擬與外科手術融為一體

作為一名雙重認證的心胸外科醫生，Hoganson 醫生的臨床重點是針對患有先天性心臟病的新生兒和兒童，然而他的專業背景卻是工程學。Hoganson 醫生說 :「我其實是一名工程師，擁有電氣工程學位，曾開發用於心臟病學和心臟手術的設備，在外科住院醫師實習期間，我在麻省總醫院做了三年的全職研究，並在那裡進行了相當多的計算動力學研究。」

完成教育和訓練後，Hoganson 醫生加入波士頓兒童醫院，並於 2018 年與 Hammer 醫生創立了 3D 建模和模擬計畫，Hammer 醫生是一位擁有二十多年心血管建模經驗的機械工程師，Hammer 醫生說: 「最初我們專注於患有先天性心臟病兒童的計算流體力學 (CFD)，現在我們還計劃在這些修復過程中創建血管等事項。」

而該計劃的規模已大幅擴展，部分原因是其他臨床醫生對使用 3D 模型來幫助手術進行感興趣，例如創建患者特定的 3D 模型，以協助心臟科醫生為許多 CHD 患者制定術前計劃，現在已成為班德森家庭心臟中心的護理標準。他們的團隊由 12 人組成，其中包括多名工程師，團隊專注於使用 Ansys Fluent 來進行 CFD 研究，並使用許多不同的模擬工具，像是 Ansys Discovery 來研究患者特定的 3D 心臟模型。

 

Simpleware 軟體創建患者特定的心臟 3D 模型

Hoganson 團隊創建了 1,000 多個 CHD 患者特定的心臟 3D 模型，超過 1,000 名兒童因這項計畫而受惠。Hoganson 說:「無論何時進行模擬，驗證工作並確認模擬與臨床結果相符都是至關重要的，因此對於所有做過 CFD 的患者們，我們都會在手術後三到六個月進行 MRI 檢查，以確保 CFD 模型與實際結果的匹配程度，這讓我們非常有信心，CAE 模擬準確呈現了血流分佈、能量損失以及所有不同的重要參數。」

透過 Simpleware 3D 醫學影像處理軟體，可將 CHD 患者的 2D 影像資料轉換為 3D 心臟解剖模型，協助醫生進行更準確的術前規劃或 CFD 模擬。除此之外，針對心臟 Simpleware 軟體具備 AI 自動分割功能，可一鍵進行影像自動分割，並分析出主動脈瓣的位置和尺寸，此功能將節省 96% 的工作時間，讓醫生可專注於其他高價值的任務當中。

 

為了確保模型能夠盡可能準確地考慮到不同參數，Hoganson 醫生特別重視對邊界條件的精細調整，以符合每位患者的生理特徵。Hoganson 醫生說： 「我們在 Ansys Fluent 中為個別 CHD 患者建立邊界條件的參數模型，這是一個真正無縫的過程。​​」Ansys Fluent 讓 Hoganson 團隊可以編寫出口邊界條件和參數模型，然後根據患者的生理資訊對這些參數模型進行精細調整，以便具有響應邊界條件，可根據不同的生理狀態隨時間而變化。 

最終發現 CFD 模擬結果和 MRI 驚人地相似! 即便如此，仍然存在無法解釋的生物變量，但 Hoganson 醫生團隊正竭盡所能地確保心臟醫學界對模擬的信任。 Hoganson 醫生說：「我們對自己的結果感到非常興奮，但還無法停止對每位患者進行驗證，因此我們將繼續這項工作，並在可預見的未來持續努力。」

 

透過 CFD 模擬克服手術風險

就像生活中的大多數計劃一樣，事情會發生變化，手術計劃也不例外。Hoganson 醫生解釋: 「使用模擬進行術前規劃是一個需要時間的迭代過程。我們第一次模擬花了大約三個半月的時間，而現在模擬多種手術方案包括所有 3D 建模和虛擬手術工作，整個迭代過程大約只需要三週半即可完成。」

當心臟缺陷越複雜，需要的時間就越長，因此建模和模擬團隊使用 Ansys Discovery 作為篩選工具，Discovery 在進行完整的 Fluent CFD 模擬之前，可提供心臟缺陷的初步 4D 可視化。Hoganson 醫生說：「我們已經對超過 20 名臨床 CHD 患者進行模擬，每一次我們都還是會根據 CFD 模擬結果去修改手術方案，從未有過一次是按照外科醫生最初提出的方案進行的，我們百分百會根據 CFD 結果來改變手術。」

 

不需要是醫學專家 患者家屬也能了解心臟手術

兒童心臟外科醫生通常需要花費大約 12 年的培訓，才能進行這類修復手術，相比之下，CHD患 者和他們的父母只有幾個月甚至幾週的時間，來了解他們可能從未聽說過的病症，然後試著理解外科醫生會如何治療。現在 Hoganson 醫生可以使用 3D 模擬向患者及其父母解釋手術團隊將如何處理心臟的特定缺陷。

Hoganson 醫生說：「這些模擬已經證明是很好的溝通工具，你不需要擁有工程學博士學位，只要查看模擬就能看出血流的方向，這讓家長對孩子的病情以及我們要如何修復心臟缺陷有了更清晰的理解。」

 

CAE 模擬可以影響患者的生與死

波士頓兒童醫院的不同部門已經開始看見使用 3D 建模和模擬的好處，並希望參與其中，而 Hoganson 醫生團隊最近也協助創建了整個胸壁重建的模型。不僅醫院內的其他部門感興趣，其他醫療中心也同樣關注。Hoganson醫生說: 「我們正與美國幾個領先的醫療中心密切合作，協助他們跟上我們正在進行的工作。」

Hoganson 醫生團隊的其他成員正在努力擴展他們的能力，並推動針對先天性心臟病患者的創新治療。Hoganson 醫生說:「對於每個接受模擬的患者來說，這都是生死攸關的事，這對每個孩子都別具意義。」

 

 

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