Simpleware 影像處理軟體用於 CAE 電腦模擬的醫學案例

在這篇文章中，我們要來看看使用醫學影像和計算建模的醫學，在不同應用領域上有哪些優勢？使用電腦模擬方法可以取代實驗室和動物試驗、加快研發速度、支援臨床試驗以評估療效和安全性，並分析上市後監測研究的效能，這些方法與 Simpleware 軟體在影像處理、自動化，以及將影像資料轉換為計算模型的能力不謀而合，接著就讓我們一起來看看最新電腦模擬醫學文獻的一些亮點吧！

 

Simpleware 於腹腔鏡袖狀胃切除手術前後，患者胃生物力學的應用

       

•   研究背景

 肥胖症已成為全球的流行病，而減重手術被認為是減輕體重、改善生活品質和合併症最有效的治療手段。 腹腔鏡袖狀胃切除術（LSG）是全球最常進行的手術之一，但患者在手術後發生胃食道逆流和胃潰瘍的風險是不容忽視的。這項研究的目的是開發特定患者的計算模型，以分析減重手術所引起的變化，像是胃的體積縮小、胃在充氣過程中的機械反應，以及不同胃內壓力下的相關伸長應變（ES）分佈 。

首先我們從接受胃腸鏡手術的肥胖症患者，他們的 MRI 掃描影像中，提取了患者特定的手術前和手術後模型，總共對 23 名患者進行分析，獲取了 46 個 3D 幾何模型和相關的計算分析結果。在相同的胃內壓力條件下，我們觀察到手術前和手術後胃的機械行為存在著明顯差異，這可能與胃整體僵硬度的變化和胃壁的微小張力有關，從而導致機械感受器在攝入食物後異常活化，以及 LSG 手術後的飽足感變化。患者特定的計算模型有助於理解目前對胃整流手術所引起的解剖和生理變化，從而減少手術後的併發症，並提高長期的生活品質。

• Simpleware 軟體的使用

我們為每位患者重建了兩個模型，分別為手術前的生理胃，以及手術後六個月的袖狀胃，並透過 Simpleware ScanIP 對 MRI 掃描影像進行分割，產生了 46 個虛擬的胃模型，且考慮到識別胃食道交界處的最佳視角，可以透過橫向平面空胃的 MRI 序列進行體積識別，而分割則考慮了整個胃到幽門環，所得的胃體積在冠狀平面上進行檢查並匯出。

• 結果和影響

減重手術被認為是治療肥胖症患者的最佳選擇，但因為它主要是基於經驗方法，有時會出現併發症和副作用，所以需要進行改善，而電腦建模是解決減重手術主要限制的強大工具，且無需進行額外的臨床試驗和動物實驗。 這項研究指出，為了更好地理解 LSG 手術的效果，並提高減重手術的療效，採用針對患者的方法十分重要，即使採用了一些假設，胃部力學在手術後仍會表現出不同的行為，主要是在 ES 場方面。那因為胃底切除手術會導致胃底結構變硬，所以對食物攝取和飽足感會有嚴重的影響，除此之外，較低的 ES 值與胃的直徑縮小有關，這表示在內部壓力相同的情況下，根據拉普拉斯定律，胃壁的張力較小。 有關這個主題的未來發展，包括其他關鍵變量，例如胃壁的作用以及胃壁與金屬夾的相互作用，可能會產生高應力集中和組織損傷。

文獻來源 : Toniolo, I., Berardo, A., Foletto, M., Fiorillo, C., Quero, G., Perretta, S., Carniel, E. L., 2022. Patient-specific stomach biomechanics before and after laparoscopic sleeve gastrectomy. Surgical Endoscopy, 36.

Simpleware 於膝關節翻修術中，乾骺端錐體增強的生物力學應用

• 研究背景

隨著患者預期壽命的延長，以及初次膝關節置換手術（TKR）接受者的年輕化，翻修膝關節置換手術（RKR）的需求急劇增加。 然而翻修膝關節置換手術面臨的重大挑戰包括骨缺損、骨質下降、植入物移除可能造成的骨量損失，以及對植入物穩定性的需求。

這個研究利用正在進行的 RKR 臨床試驗結果，該試驗使用 3D 列印的鈦多孔幹骺端錐體，研究1，三個固定區域，骨骺、幹骨骺和骨幹，一年內骨礦物質密度(BMD) 的變化，研究 2，手術後 6 個月時錐體的生物力學效應，它結合了雙能量 X 射線吸收測定法（DXA）、電腦斷層掃描（CT）和基於患者特定的有限元素（FE）建模， 結果發現大多數患者在手術後第一年內都出現了骨質流失的情況。

生物力學評估考慮了四種不同的負荷情況，從站立、在平地上行走、下樓行走到膝關節的模擬撞擊，患者特定的有限元模型顯示，錐體結構略微改善了骨骼中的應變分佈並分擔了誘導負荷，但在降低骨折或骨水泥脫落風險方面的作用有限，這種從隨機臨床試驗中獲取真實數據，並將其植入電腦有限元模型的技術，在 RKR 研究中是獨特且創新的，讓脛骨 RKR 生物力學的研究開啟了更多的可能性，根據建議的 IDEAL 框架標準，可以對原型和植入物組合進行電腦測試，而不會使患者面臨風險，這個過程經過進一步的改良後，可以實現快速創新、優化植入物設計，並改善手術規劃。

• Simpleware 軟體的使用

在 Simpleware ScanIP 中處理患者第六個月時的 CT 影像，以區分和標記各個區域，包括植入物（基底板和骨幹）、幹骺端錐體、骨水泥、皮質和骨小樑，這些區域根據其 Hounsfield 單位 HU 值進行識別，並用來創建遮罩（圖 2 c 和 d，均為 3D 渲染和 2D 遮罩），然後將建立的遮罩匯出為 stl 格式的表面模型，可以用於建模。

• 結果和影響

本研究結合臨床影像資料和有限元分析，研究了 RKR 中隨時間變化的 BMD 變化，以及幹骺端錐體增強的生物力學效應，研究發現最明顯的 BMD 變化發生在術後的前三個月，且患者之間存在很大的差異，三分之二的患者在 12 個月後出現了不同程度的骨吸收。，這些變化比原發性 TKR 患者還要輕微很多，然而與初次 TKR 相比，RKR 患者骨質流失的增加，以及骨質品質的降低極大地改變了生物力學環境，包括更多的應變屏蔽區域，以及更多透過植入物傳遞的負荷，而幹骺端錐體的插入可略微改善應變分佈和承重比，但在降低骨折和骨水泥脫黏風險方面的作用有限。

文獻來源 : Hu, J., Gundry, Michael., Zheng, K., Zhong, J., Hourigan, P., Meakin, J. R., Winlove, C. P., Toms, A. D., Knapp, K. M., Chen, J., 2022. The biomechanics of metaphyseal cone augmentation in revision knee replacement. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 131.

 將粒子追蹤與 CFD 結合，評估冠狀動脈支架對血流動力學的擾動

• 研究背景

冠狀動脈支架透過改變流體流動品質傳輸，以及管壁剪切應力對動脈功能產生深遠影響，我們開發了一種新的綜合方法來分析支架對品質傳輸和剪切應力的影響，為設計有利於血流動力學的支架提供資訊。

首先我們在血管模型中部署支架，然後追蹤流動下的螢光顆粒，並行分析包括高解析度微型電腦斷層掃描，然後進行 CFD 模擬，以評估管壁剪切應力分佈，並對幾種支架設計進行分析，以評估此工作流程是否適用於不同的支架幾何模型。支架對流體流動流線、流體分離或漏斗，以及與支架形狀密切相關的複雜幾何形狀區域的顆粒聚集有顯著影響，而 CFD 分析顯示支架對壁面剪切應力的大小、方向和分佈有著重大影響，並對幾何形狀高度敏感。

因此將粒子追蹤與 CFD 結合，可以對支架動脈中的流體流動和剪應力進行前所未有的詳細評估，而有害的流動擾動，例如顆粒在支架處的積聚和非生理剪切應力，則對各個支架的幾何形狀非常敏感，因此新型支架設計應該進行品質傳輸和剪切應力測試，它們是血管健康和修復的重要影響因素。

• Simpleware 軟體的使用

將重建的影像資料集匯入 Simpleware ScanIP 軟體，並透過閾值選擇流體域以形成遮罩。 在進行網格敏感度分析後，透過 ScanIP +FE 模組，以 FLUENT CFD 輸出格式，使用 +FE 自由網格演算法，將遮罩轉換為由200 萬個四面體單元組成的體積網格，20 單元尺寸和內部體積變化率以 100 點範圍內進行更改，其中單元邊緣長度取決於體素尺寸，體素尺寸是原始 μCT 掃描解析度的乘積，完成後在匯出網格檔案之前，網格品質偵測工具會檢查是否有錯誤或警告。

• 結果和影響

我們開發了一種將粒子追蹤與 CFD 結合的工作流程，可以偵測對支架幾何形狀敏感的有害流動擾動，我們建議應定期對新型支架設計進行流體流動和剪切應力效應測試，因為它們是血管健康和修復的重要影響因素。

文獻來源 : Boldock, L., Inzoli, A., Bonardelli, S., Hsiao, S., Marzo, A., Narracott, A., Gunn, J., Dubini, G., Chiastra, C., Halliday, I., Morris, P. D., Evans, P. C., Perrault, C. M., 2022. Integrating particle tracking with computational fluid dynamics to assess haemodynamic perturbation by coronary artery stents. Plos One, 17(7).

 

Simpleware 協助深部靜脈血栓的機械化學計算模型生成

• 研究背景

深部靜脈血栓（DVT）的計算模型通常會考慮血栓形成所涉及的機械或生化因素，因此 開發一個同時考慮這兩個因素的模型，將有助於我們更好地了解這種特殊疾病的凝血過程。

本研究詳細介紹了 CFD 模型的開發過程，該模型考慮了凝血酶和纖維蛋白原之間的生化反應、搏動性血流以及 3D 患者股總靜脈內血栓的生長，凝血酶從靜脈壁的損傷區釋放到血液中，而 Michaelis-Menten 方程式則用來表示凝血酶和纖維蛋白原轉化為纖維蛋白的過程，纖維蛋白是凝血過程的最終產物。

模型的開發從 2D 理想幾何形形狀開始，在這一階段，模型被用來進行參數研究，以確定不同參數對血塊形成的尺寸和形狀的影響，例如入口速度、靜脈直徑和凝血酶峰值濃度，而凝血酶濃度高峰是驅動靜脈中血栓形成和擴散的關鍵因素。為了證明這個模型的潛在用途，我們將 2D 模型擴展到由影像衍生的3D患者特定幾何模型，利用模型實現了真實的血栓生長，並將血栓與體內形成的血栓進行比較發現， 患者體內形成的血栓體積比模擬中形成的血栓體積小約 4%，這表示經過進一步的開發和完善，模型可用於特定患者的介入規劃，提供了一種在不同生理條件下，以非侵入方式預測血塊形成的方法。

• Simpleware 軟體的使用

幾何分割和重建是開發患者特定深部靜脈血栓模型的重要階段，在這項研究中，會從 40 歲男性患者的 CT 掃描影像中，提取靜脈幾何模型，為了從 CT 影像中提取3D幾何模型，使用 SYNOPSYS Simpleware 軟體對影像進行分割，為了讓分割工作更簡單、更容易，Simpleware 將影像從像素值（R、B、G）的3D影像轉換為灰階影像，因為某些切片存在影像噪點，所以設定 200 的閾值無法準確計算 CFV，在靜脈和血塊表面，設定了 10 階的傅立葉平滑函數，以消除因分割間距過大而產生的粗糙表面，根據給出的數據，確定了左側 CFV 上的血塊，並開發了右側 CFV 作為對照。

模型產生的結果與生理條件下形成的血塊進行了比較，最複雜階段的 3D 模型應用於右側的 CFV，首先我們進行穩態模擬，以確定具有再循環、停滯和應變率的區域，接著在模型中加入一個 UDF，以確保血塊只在達到此閾值要求的單元中形成。

• 結果和影響

本研究概述了使用 CFD 技術和生化反應，在患者特定的3D股靜脈幾何模型中預測血塊形成的框架開發過程，本研究目的是了解改變這些因素對血塊大小的影響，並確定哪個因素對血塊的形成和擴散影響最大。增加速度和靜脈直徑會導致血塊縮小，而增加凝血酶峰值濃度則會使血塊增加，研究也發現凝血酶濃度是決定血塊形成時間的唯一因素，也是決定血塊大小的驅動因素，研究結果表明，凝血酶濃度越高，血塊越密集、越大。

這項工作中建立的模型透過血塊生長實驗研究得到驗證，將實驗形成的血塊與計算生成的血塊進行比較，對兩個血塊進行目測比較後發現，這兩個血塊的高度相差 24%，實驗中的血塊較厚，以前大多數深部靜脈血栓模型主要以流動為基礎，研究停滯和再循環區域，而這些模型大多包括實心瓣壁和竇道。且透過模擬從瓣膜流出的血流避免了這種複雜性，並包含了所需損傷區域的生化反應，可以進一步研究血塊的形成過程，除了確定血塊形成的區域外，這個過程還有助於我們研究血塊的形成和傳播，很明顯這個模型可以預測不同流動條件下的血塊形成。

文獻來源 : Jimoh-Taiwo, Q., Haffejee, R., Ngoepe, M., 2022. A Mechano-Chemical Computational Model of Deep Vein Thrombosis. Frontiers in Physics, 10.

Simpleware 於對流增強遞送腦癌治療的電腦模擬研究的應用

• 研究背景

時至今日，腦癌治療仍然是腫瘤學領域的艱鉅挑戰，對流增強遞送（CED）是一種創新且有未來的治療腦癌的局部藥物遞送方法，它克服了向腦部全身遞送藥物的難題，為了增進我們對 CED 療效和藥物遞送的了解，我們提出了一種用於腦癌 CED 治療模擬的電腦方法。

為此我們採用了一種 3D 有限元方法，使用臨床影像數據中的腦模型，來表示用於預測 CED 治療中的藥物沉積情況，該模型包括生物流體動力學和藥物在腦部實質中的傳輸，根據腫瘤血管壁孔徑大小和腫瘤組織水力的傳導性，以及從小分子到奈米顆粒的各種大小藥物，研究了藥物在腫瘤各種病理生理條件下的分佈。

透過參數研究，我們報告了血管壁孔徑大小和治療藥物大小對 CED 期間和之後藥物分佈的影響，電腦研究結果為腫瘤中的時空分佈，以及平均藥物濃度提供了有用的資訊，有助於有效治療腦癌。

• Simpleware 軟體的使用

使用健康成人受試者的MRI影像來創建真實的 3D 大腦有限元模型，這些MRI影像是從我們先前的研究中獲取的，並在本研究中再次使用， 具體來說為了對大腦進行形態學成像，我們採集了 T1 加權、3D、快速場回波脈衝序列，回波時間和重複時間分別為 3.2 毫秒和 7.1 毫秒，同時使用 1 毫米的各向同性體素大小來覆蓋整個區域，而大腦幾何結構的 3D 重建使用了 Simpleware ScanIP 軟體。

首先我們使用 Simpleware 的 "閾值 "操作從 MRI 影像中產生兩個遮罩，該操作根據亮度選擇每個像素，最暗的區域構成灰質遮罩，而最亮的區域構成大腦中白質的遮罩，這些遮罩是產生 3D 大腦幾何模型的兩個不同域， 然後使用 "孤島移除 "和 "空洞填充 "分別消除遮罩中不相連的部分，以及填充模型中的任何空隙。除此之外，也使用 Simpleware 的 "高斯平滑 "操作進行平滑處理，最終創建 3D 大腦幾何模型，並將其匯出為 COMSOL 相容的幾何模型檔案。

• 結果和影響

總而言之在 CED 給藥之前，改變腫瘤微環境特性，例如透過藥物介入，可能適合在腫瘤內有效地輸送藥物，同時最大限度地減少藥物對健康腦組織的毒性，我們的電腦預測對腫瘤內的空間分佈，以及藥物濃度提供了很多有用的資訊，有助於改善腦癌治療。根據我們的預測結果，化療藥物會透過血管或腫瘤週邊迅速擴散離開腫瘤，因此與脂質體或其他奈米顆粒相比，它們在腫瘤組織中的平均濃度明顯較低。

文獻來源 : Lambride, C., Vavourakis, V., Stylianopoulos, T., 2022. Convection-Enhanced Delivery In Silico Study for Brain Cancer Treatment. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 10.

資料來源: Simpleware 官網

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