一、背景介紹冠狀動(dòng)脈是供給心臟血液的動(dòng)脈，起于主動(dòng)脈根部主動(dòng)脈竇內(nèi)，分左右兩支，行于心臟表面。冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病，簡稱冠心病，也叫缺血性心臟病，會(huì)直接引起穩(wěn)定型心絞痛、非穩(wěn)定型心絞痛、心肌梗死或者心臟驟停，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致死亡。動(dòng)脈粥樣硬化會(huì)使得血管變得僵硬，并產(chǎn)生斑塊，進(jìn)而引起管腔狹窄或閉塞，造成心肌缺血或壞死。目前我國冠心病患者有1100多萬人。根據(jù)《中國衛(wèi)生健康統(tǒng)計(jì)年鑒》的數(shù)據(jù)，近年來我國每年因冠心病死亡的人數(shù)超過150萬人，死亡率總體保持上升趨勢。其中，城市居民的死亡率從2017年的11.5人/萬人上升至2021年的13.5人/萬人；而農(nóng)村居民從2017年的12.2人/萬人上升至2021年的14.8人/萬人。圖1我國冠心病死亡率變化趨勢治療冠心病的方式主要有三種，即藥物治療、經(jīng)皮介入治療和冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)。其中，冠脈搭橋術(shù)是治療嚴(yán)重冠心病（主要指左冠狀動(dòng)脈主干狹窄、三支病變以及不能使用介入治療的彌漫性冠脈狹窄）的常用外科手術(shù)，可恢復(fù)相應(yīng)的心肌供血，使嚴(yán)重冠心病患者獲得生機(jī)。因此，冠狀動(dòng)脈搭橋成為了拯救冠心病患者生命的最后一道保障。圖2冠心病非藥物治療方案血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境與動(dòng)脈粥樣硬化的分布密切相關(guān)。異常血流動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象常出現(xiàn)在人體特定的部位之外，最常出現(xiàn)的區(qū)域就是心腦血管手術(shù)部位，這會(huì)直接影響手術(shù)的長期有效性。當(dāng)前冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)以臨床經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)，手術(shù)長期效果的優(yōu)劣取決于臨床醫(yī)師水平，因而臨床迫切需要一種虛擬仿真系統(tǒng)來幫助醫(yī)生對不同手術(shù)方案進(jìn)行對比，選擇更優(yōu)的手術(shù)方案，從而達(dá)到最佳治療效果。二、醫(yī)學(xué)仿真解決方案目前，流體仿真技術(shù)在心血管醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用門檻較高，主要原因在于醫(yī)療與工程的交叉應(yīng)用需要復(fù)合背景知識(shí)的融會(huì)貫通。為了降低醫(yī)療或工程人員的專業(yè)技術(shù)門檻，使其可以“自主可控”地改進(jìn)搭橋手術(shù)規(guī)劃方案，并助力心外科醫(yī)生的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)培養(yǎng)，本方案采用自主通用的多物理場仿真PaaS平臺(tái)Simdroid軟件進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)仿真，并無代碼化封裝冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)虛擬仿真APP，供醫(yī)療工作者參考使用。冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)虛擬仿真就是針對擬實(shí)行搭橋手術(shù)的冠心病患者，從血流動(dòng)力學(xué)的角度優(yōu)化搭橋手術(shù)方案，以期獲得最佳的手術(shù)效果。其基本思路是導(dǎo)入患者心血管模型，設(shè)置擬行搭橋手術(shù)的橋血管位置參數(shù)，建立橋血管幾何模型，將患者心血管模型與橋血管幾何模型進(jìn)行融合以構(gòu)建不同手術(shù)方式的術(shù)后模型，再輸入患者的生理參數(shù)和邊界條件參數(shù)，進(jìn)行流體仿真計(jì)算，就可以得到虛擬搭橋手術(shù)術(shù)后的血流動(dòng)力學(xué)情況。1、醫(yī)學(xué)模型建立選用患者冠狀動(dòng)脈+主動(dòng)脈增強(qiáng)CT影像數(shù)據(jù)，通過圖像分割、建模以及模型優(yōu)化，獲得患者可用于仿真計(jì)算的冠狀動(dòng)脈及主動(dòng)脈模型，如下圖所示。圖3從DICOM數(shù)據(jù)到醫(yī)學(xué)模型的建立2、參數(shù)定義本案例針對存在右冠狀動(dòng)脈彌漫重度狹窄病變的患者，模擬仿真大隱靜脈橋接在升主動(dòng)脈不同位置的血流動(dòng)力學(xué)情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冠狀動(dòng)脈搭橋的血流動(dòng)力學(xué)手術(shù)規(guī)劃目的。因此，參數(shù)主要包括橋血管的位置參數(shù)、血液材料參數(shù)、生理參數(shù)、求解設(shè)置參數(shù)等。圖4Simdroid定義參數(shù)界面3、構(gòu)建完整計(jì)算模型利用Simdroid的2D草圖創(chuàng)建以及三維建模功能，以建立的患者醫(yī)學(xué)模型為基準(zhǔn)，構(gòu)建從右冠狀動(dòng)脈狹窄遠(yuǎn)端至升主動(dòng)脈的橋血管幾何模型，將橋血管的相對位置與角度參數(shù)化，便于后續(xù)靈活調(diào)節(jié)橋血管相對患者心血管的位置。將建立的橋血管模型與醫(yī)學(xué)模型進(jìn)行并集融合，形成一個(gè)完整的模型。圖5患者醫(yī)學(xué)模型上建立橋血管4、網(wǎng)格劃分Simdroid具備多種網(wǎng)格劃分功能。此處可參數(shù)化設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸，用于控制計(jì)算精度，并采用四面體網(wǎng)格類型進(jìn)行剖分，可將整個(gè)模型離散化，用于后續(xù)的求解計(jì)算。圖6Simdroid網(wǎng)格剖分模型5、求解設(shè)置求解設(shè)置主要包括材料屬性、生理參數(shù)、邊界條件、并行計(jì)算、迭代步數(shù)等參數(shù)的設(shè)置。在此，本案例將血液材料屬性簡化為牛頓流體，設(shè)置穩(wěn)態(tài)單相層流進(jìn)行求解。通過文獻(xiàn)查閱，設(shè)置血液黏度為0.0035Pa*s、血液密度為1060kg/m3。Simdoid支持多種出入口邊界條件設(shè)置，包括速度入口、壓力入口、壓力出口、自由流等。此處邊界條件設(shè)置主要借用生理參數(shù)計(jì)算得來。其中，入口條件設(shè)置為主動(dòng)脈壓力，此參數(shù)可通過測量患者血壓計(jì)算得來；出口條件設(shè)置為質(zhì)量流量，可以通過患者的每搏輸出量、心率、各出口血流分配系數(shù)計(jì)算得來。圖7Simdroid求解設(shè)置邊界條件Simdroid可以設(shè)置并行計(jì)算核算，用于加速計(jì)算，也可以考慮重力加速度，以模擬患者不同體位下心血管血流情況。此外，通過監(jiān)控殘差曲線，可以查看求解收斂情況。6、結(jié)果后處理Simdroid有強(qiáng)大的結(jié)果后處理顯示功能。本案例中，主要通過云圖查看血管內(nèi)的血流分布、壓力分布和壁面剪切力分布，也可以通過流線圖、矢量圖、切片圖表達(dá)計(jì)算結(jié)果情況。圖8計(jì)算結(jié)果-速度流線圖圖9計(jì)算結(jié)果-速度矢量圖圖10計(jì)算結(jié)果-壓力云圖圖11計(jì)算結(jié)果-壁面剪切力云圖7、仿真流程封裝在虛擬手術(shù)規(guī)劃過程中，通常需要靈活調(diào)整橋血管吻合位置，以便獲得不同規(guī)劃方案。通過比較不同手術(shù)方式的血流動(dòng)力學(xué)差異，可避免危險(xiǎn)性血流動(dòng)力學(xué)因素，進(jìn)而輔助臨床進(jìn)行手術(shù)決策，起到優(yōu)化手術(shù)效果的目的。通常，仿真全流程的操作設(shè)置過程比較復(fù)雜，需要專業(yè)的仿真工程師依次設(shè)置相關(guān)參數(shù)，耗時(shí)費(fèi)力。Simdroid可將仿真流程進(jìn)行封裝，保留關(guān)鍵的參數(shù)設(shè)置、菜單及按鈕設(shè)置，可以簡化用戶對參數(shù)的調(diào)整過程。當(dāng)工程師將上述模型采用Simdroid完成仿真流程后，可以通過Simdroid所具備的APP開發(fā)器功能，采用最基本的拖、拉、拽等無代碼化操作方式快速封裝完整的仿真流程。圖12使用Simdroid中APP開發(fā)器功能封裝仿真流程工程師通過Simdroid完成仿真以及APP開發(fā)器封裝仿真流程，可形成冠狀動(dòng)脈搭橋虛擬手術(shù)規(guī)劃仿真APP。用戶在本地裝有Simdroid平臺(tái)軟件的電腦上，可打開本APP，通過設(shè)置橋血管位置參數(shù)、生理參數(shù)等后進(jìn)行求解計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)手術(shù)方案的調(diào)整。另外，還可以通過編譯方式，將仿真過程中使用到的軟件功能進(jìn)行輕量化打包，形成*.exe格式的文件，該可執(zhí)行文件可以脫離Simdroid平臺(tái)在任意電腦端獨(dú)立使用，用戶無需安裝Simdroid軟件（此類應(yīng)用方式，已有知名心外科醫(yī)院采用）。圖13仿真APP界面及功能分布更為便捷的是，封裝好的仿真APP還可以上傳到工業(yè)仿真APP商店Simapps平臺(tái)，云原生部署與在線應(yīng)用。用戶可以零門檻低成本、跨平臺(tái)跨終端隨時(shí)隨地云平臺(tái)用仿真。歡迎訪問Simapps，在線體驗(yàn)本案例仿真APP。三、關(guān)于SimdroidSimdroid（中文名“伏圖”）是云道智造自主研發(fā)的通用多物理場仿真PaaS平臺(tái)，具備自主可控的隱式結(jié)構(gòu)、顯式動(dòng)力學(xué)、流體、熱、低頻電磁、高頻電磁、多體動(dòng)力學(xué)等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統(tǒng)一友好的環(huán)境中為仿