电场治疗脑肿瘤的建模【Simpleware应用】

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概述 交变电场或肿瘤电场治疗(TTFields)是一种治疗癌症,特别是复发性胶质母细胞瘤的电磁场疗法。与传统方法相比,肿瘤电场治疗通过头皮上的阵列传递低强度的电流,展现出良好的效果。然而,人们对肿瘤电场治疗在脑内的精确分布以及它们覆盖复发性胶质母细胞瘤程度仍不甚了解。医学图像数据的计算仿真为分析肿瘤电场治疗胶质母细胞瘤的效果提供了解决方案,Simpleware 软件可以为此类应用研究生成精准的模型。 亮点 获取复发性胶质母细胞瘤患者治疗期间的MRI数据使用 Simpleware 软件生成带有传感器阵列的三维头部模型并划分网格将网格模型导出至 COMSOL Multiphysics 分析电场分布仿真结果有助于拓展对肿瘤电场治疗的认识 MRI 图像采集与肿瘤治疗 研究人员的目的是测定患者脑内的电场分布随频率的变化,因此他们对大脑结构使用了协同配准(co-registered)钆剂后 T1 加权、T2 和 MP RAGE 图像与预设的电导率和相对介电常数。1 例 67 岁女性患者的神经影像学回顾性分析,其患有右侧后脑复发性胶质母细胞瘤,在初始经过神经外科手术切除后进行了 6 个月的肿瘤电场治疗,每日颅外照射加替莫唑胺,照射后以替莫唑胺为佐剂。然后她同时接受注射一剂 10 mg/kg 的贝伐珠单抗(每两周一次)和肿瘤电场治疗,在可能的情况下持续地作用在她剃光的头上。传感器阵列的放置是基于计算机通过对MRI数据中她头部、肿瘤大小和肿瘤位置的形态测量,从而生成的个性化布局。这两种治疗持续到 24 个月时在右侧脑室外侧缘发现另一个患病部位。 图:患者脑部 MRI 图像:初始治疗 6 个月后,肿瘤可见于上层切片(A)和下层切片(B);24 个月后在右侧脑室外侧缘(D)处发现新的患病部位,而原发肿瘤稳定(C)。 图像处理和网格划分 同一个基线 MRI 用于布局,使用 Simpleware ScanIP 由协同配准的 MRI 图像数据生成头部 3D 模型。在Simpleware FE 中为每一个分割出的头部结构和传感器阵列生成有限元网格,头部包括头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液(CSF)、幕上灰/白质、脑室、脑干、小脑、复发性胶质母细胞瘤。然后将复合的有限元网格模型导出为 COMSOL Multiphysics 的格式。 图:利用 Simpleware 软件创建带有传感器阵列的头部模型 模拟结果 […]

石墨醚纳米带中优异的自旋热电表现【QuantumATK亮点文章】

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背景 在自旋相关塞贝克效应(SDSE)中,自旋向上和自旋向下的电子在温度梯度的驱动下沿相反的方向流动,使电荷电流相互抵消,可以在器件中产生纯自旋流。作为一种制造自旋流的高效途径,近年来二维材料中的SDSE被广泛研究,如石墨烯、氮化硼、硅烯、磷烯等。人们一直致力于寻找自旋热电表现更出色的材料平台。 研究内容 作者基于新型二维材料石墨醚的纳米带结构设计构建了两类自旋热电器件,独特的能带结构及输运性质使其在热梯度之下可以产生纯自旋流。 图1 (a) 扶手椅边缘石墨醚纳米带 (AGENR) 的结构图,数字表示纳米带宽度。 (b、c) I型和II型AGENR纳米带的结构,自旋密度分布证实其边缘成功引入了磁性。(d、e)AGENR自旋热电器件的示意图,冷热端的温差为ΔT。 图2  AGENR的 (a) 能带结构和 (b) 透射谱。 (c、d) SDSE的形成机制,自旋向上和向下的电子具有符号相反的电流谱,表征其形成反向的电流。 第一性原理计算表明器件的SDSE对纳米带宽度具有鲁棒性,并表现出高自旋塞贝克系数和巨大的自旋热电优值。 图3 基于不同宽度的I型和II型AGENR器件的热致电流,表现出鲁棒的SDSE。 图4  AGENR器件的(a-d)自旋依赖塞贝克系数和(e、f)自旋热电优值。 小结 本文设计了两类基于石墨醚纳米带(AGENR)的自旋热电子器件,并通过第一性原理计算证实了其优异的自旋热电性能,在自旋热电子学中具有良好的应用前景。 参考文献 Yue Jiang, Yan-Dong Guo, Li-Yan Lin, and Xiao-Hong Yan, A robust spin-dependent Seebeck effect and remarkable spin thermoelectric performance in graphether nanoribbons. Nanoscale, 2022, 14, 10033-10040. https://doi.org/10.1039/d2nr02175g(杂志封面文章)

机器学习力场:模拟真实体系

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机器学习力场:模拟真实体系 机器学习力场(ML-FFs)可以进行接近从头算精度的模拟,但是模拟体系的尺寸和动态模拟时间尺度则大大超过了从头算,更接近真实情况。使用 QuantumATK 中的机器学习力场功能可以生成新颖的晶体和非晶材料、合金、界面和多层堆叠的真实的复杂结构,模拟热性能和机械性能、扩散和表面过程。用户可以使用预先训练的机器学习力场库,或使用自动化、高效的训练和仿真工作流程开发新的机器学习力场。 QuantumATK中的计算引擎 QuantumATK 计算模拟引擎能够在一个平台上使用多种模拟方法进行原子级建模和模拟[1]:先进的密度泛函理论(DFT)(平面波基组的 DFT-PlaneWave 或 原子轨道基组的 DFT-LCAO )、半经验量子力学方法、传统力场(内置 300 余力场数据库)和机器学习力场。所有模拟引擎在材料特性、动力学、过渡态搜索(NEB)、几何结构优化和其他模拟等方面均使用一个计算框架,这为 QuantumATK 上训练和使用机器学习力场提供了绝佳的集成环境。 使用机器学习力场对大型真实体系进行动力学模拟 机器学习力场比 DFT 快 1000 到 10000 倍,因此能够对包含超过 100000 个原子的真实、新颖、复杂的体系进行动力学模拟(通常 DFT 可以达到的 100 原子体系);机器学习力场为多元素材料、界面等异质体系和远离平衡的体系(包括非晶态材料、相变或化学反应)提供了几乎和从头算一样的精度;使用 QuantumATK 提供的机器学习力场的自动化计算流程,可以比传统力场更容易完成动力学计算。一般来说,复杂体系的传统力场计算过程往往很复杂,需要反复测试和调整计算过程与参数。 机器学习力场的应用实例 生成非晶材料结构 为 PCRAM、ReRAM 和 FeRAM 等新型存储器、太阳能电池和其他应用领域生成非晶结构。在这个例子中,80 ps-ML-FF-MD 在 11 分钟内生成了 600个原子的 am-SiO2 结构,而在 16 个核上用 DFT-MD 生成 72 个原子的结构需要 10 天。用 ML-FFs […]

Stone-Wales拓扑缺陷增强石墨烯/金属界面的键合与电子耦合(ACS Nano 2022)

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摘要 缺陷对材料的功能和性能起着至关重要的作用,但经常缺乏对相关作用的理解。缺陷的浓度通常较低,使得理论研究往往较为困难,其中突出的例子是石墨烯等二维材料的拓扑缺陷。基于石墨烯的(光)电子器件的性能主要取决于接触电极的石墨烯/金属界面特性。这种界面特性,与石墨烯中普遍存在的拓扑缺陷的相关性问题,具有很大的现实意义,但目前还无法回答。 德国马尔堡-菲利普大学J. Michael Gottfried教授与吉森大学André Schirmeisen教授等课题组,将基于AMS软件BAND模块独有的周期性体系键能分解pEDA,以及描述化学键形成导致电荷转移情况的化学价自然轨道(NOCV)方法,结合分子模型系统的实验研究相结合,对Stone-Wales拓扑缺陷进行了研究。 研究表明,与常规石墨烯相比,嵌入的缺陷与铜表面之间的键合、电子转移得到显著增强。这些发现通过分子模型得到了实验证实,其中S-W缺陷以天青烯代表,理想的石墨烯结构使用其异构体芘代表。实验相互作用能、电子结构分析和吸附距离的差异,定量地证实了缺陷对键合的控制。 该研究揭示了缺陷对石墨烯/金属界面电子耦合的重要作用,并表明拓扑缺陷工程在性能控制方面的潜在应用价值。 参考文献 Topological Stone–Wales Defects Enhance Bonding and Electronic Coupling at the Graphene/Metal Interface, Benedikt P. KleinAlexander IhleStefan R. KachelLukas RuppenthalSamuel J. HallLars SattlerSebastian M. WeberJan HerritschAndrea JaegermannDaniel EbelingReinhard J. MaurerGerhard HiltRalf Tonner-ZechAndré Schirmeisen*J. Michael Gottfried*, ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.2c01952

使用共晶溶剂从黄褐藻中提取岩藻黄质—COSMO-RS筛选与实验验证

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研究亮点 使用COSMO-RS筛选用于提取岩藻黄质的24中共晶溶剂通过实验验证了COSMO-RS筛选得到的6个排名靠前的共晶溶剂百里酚 : 十二酸共晶溶剂的岩藻黄质提取率最高利用σ-profile和σ-potential揭示了可能的岩藻黄质提取机制最佳条件下岩藻黄质提取率为 22.03 mg/g DW 研究内容 岩藻黄质是藻类中的一种类胡萝卜素,据称具有抗氧化、抗光老化、抗转移、抗高血压活性等有益的健康相关特性,从而可能应用于化妆品、饮食和医药等。 奥克兰大学Dingmeng Xu等,研究评估了使用共晶溶剂 (deep eutectic solvents,DES) 从微藻Tisochrysis lutea中提取岩藻黄质的方法。 使用COSMO-RS筛选24种不同类型的共晶溶剂在提取岩藻黄质中的性能,然后使用6个排名靠前的共晶溶剂进行实验提取验证。 实验结果表明,其中百里酚 : 十二酸(摩尔比 1.25 : 1)对岩藻黄质的提取能力最高(7.69 mg/g dry biomass weight (DW)),高于常规溶剂甲醇 (6.29 mg/g DW) 和乙醇 (6.75 mg/g DW),这与 COSMO-RS 筛选结果一致。 作者进一步优化了百里酚 : 十二酸提取岩藻黄素的提取条件,结果表明在温度36.2 ℃、搅拌时间为2.58小时,生物量百分比为 11.36%时,岩藻黄质的提取率最高(22.03 mg/g DW)。 此外,岩藻黄质在百里酚 : 十二酸中表现出良好的稳定性,储存时间超过 11 天。经过七个提取周期后,最终岩藻黄质浓度 (13.06 mg/mL DES) ,可重复使用性良好。 参考文献 Evaluation of Deep […]

人工智能技术加速3D打印心脏模型【Simpleware应用】

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概述 Nicklaus儿童医院心血管外科高级项目实验室(APL)需要为一名青少年患者制定一项复杂的手术规划,该患者左冠状动脉异常起源于右主动脉窦,伴壁内、动脉间行程。 病理的复杂性决定了对患者心脏进行3D CT扫描(DICOM格式)十分必要,而3D打印模型将有助于医生团队为手术规划展示心脏通路。因此,他们利用Simpleware软件对DICOM图像数据进行自动化分割,在短短15分钟内就成功创建出能够直接用于3D打印的模型。本案例中打印模型所用设备为Stratasys J750 Digital Anatomy打印机。 亮点 Nicklaus儿童医院心血管外科APL团队在他们的常规工作流程中使用Synopsys公司的Simpleware软件进行3D解剖模型打印;Simpleware的AI工具有助于快速创建出超高精度模型;打印出高质量3D解剖模型的设备为Stratasys J750 Digital Anatomy打印机。 介绍 3D解剖打印可以为临床医生带来众多益处,包括增强病理的可视化和测量以支持标准手术与复杂手术的规划,同时也能够整合医疗器械(如有适用)。Nicklaus儿童医院心血管外科高级项目实验室(APL)正在利用包含全息医学3D可视化和3D打印在内的各种先进技术促进加强手术规划、改善患者体验。作为美国最早应用3D打印技术进行手术规划和教育的机构之一,Nicklaus儿童心血管外科APL已经打印超过500例心、脑、脊柱、四肢等器官的模型。 Nicklaus儿童医院的Robert Hannan、MD、Thomas Haglund和Muhanad Shraiteh与Synopsys的Simpleware产品团队通力合作,开发出将患者影像数据转换为Stratasys 3D打印机适用模型的解决方案。打印得到的3D解剖模型有助于临床医生规划儿童心脏手术。在本案例研究展示的示例中,心血管外科APL团队使用Simpleware软件强大的人工智能(AI)工具加快为青少年患者创建心脏模型的工作流程。 Simpleware 软件中的自动化分割和打印准备 将患者的心脏CT扫描数据导入Simpleware ScanIP Medical和自动分割模块Simpleware AS Cardio,一键点击即可完成分割和标记。此过程显著改善了准备3D图像数据最常见的瓶颈之一。(视频:使用Simpleware AS Cardio进行心脏的自动分割:展示了典型现有分割工具与Simpleware AI产品之间的耗时差异。)

拉伸载荷下三维编织复合材料的直接数值模拟【Simpleware应用】

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概述 编织复合材料由于其结构特性,特别是在厚度方向的增强作用,使其在航空航天等工业领域得到广泛应用。与传统材料相比,三维编织复合材料还可以降低制造成本和时间,但仍需要设计和测试,以便更好地理解渐进损伤并进行失效分析。在多尺度建模中,理解基础微观结构和缺陷对失效的影响历来都是具有挑战性的。使用 Simpleware 软件基于图像的建模方法与 NCYL 多尺度代码则解决了这些问题,从微观到细观和宏观,在不同的长度尺度上生成精确的网格。 亮点 采用多尺度建模方法(NCYL 代码)对三维编织复合材料进行渐进损伤和失效分析通过 micro-CT 在 Simpleware 软件中建模进行微结构缺陷的原位研究节省计算资源并加深对高价值材料的了解 Simpleware 软件的多尺度网格划分 运用 Simpleware 软件的新方法获得了在不同长度尺度上都高保真和计算精确的模型,用于在代表性体积单元(RVE)尺度理解微观和宏观尺度的关系。采用不同的 SkyScan Micro CT 系统(1173、1076、1076)获取不同长度尺度的图像,从一个 2”x1” 的样本,到一半试样,再到完整试样。考虑到计算效率,在 Simpleware 软件中只取一半的数据进行高分辨率的手动分割,从而减小导出 FE 模型的尺寸。Simpleware 软件可以直接从微观 CT 数据中分割出单独的纤维和基体区域,并构建原位缺陷。 图:不同尺度micro-CT设置参数对比 在 Simpleware ScanIP 模块对图像数据中每根纤维束进行分割并重建成三维结构。由 micro-CT 数据创建的Simpleware 模型重现了复合材料中的原位微观结构缺陷。 图:拉伸试件在Simpleware ScanIP中的纤维分割 模拟结果 扫描图像数据的代表性体积单元(RVE)也是在 Simpleware FE 中进行网格划分获得,可用于捕捉几何缺陷。将生成的有限元网格导出为 Abaqus 的格式,其中包含所有的有限元和节点信息以及纤维路径取向。 采用纤维-基体尺度的RVE预测纤维束有效性质以及复合材料的聚合物基体中微裂纹和微损伤的影响,继而以此从细观尺度在宏观有限元分析中预测刚度和应力。 图:纬纱纤维束断裂为两半 图:试件最终拉伸断裂 图:试件最终拉伸断裂(三维等轴视图) 结论 一个分析缩比模型(NCYL)也为三维编织复合材料重的渐进损伤和失效分析提供了计算效率高的框架。渐进损伤和失效分析的模拟结果与实验数据吻合良好,研究了纬纱方向的面内弹性模量。全局-局部建模策略得益于基于图像建模的原位微观结构缺陷的因素,而缩比细观力学模型能够预测均质纤维束的有效非线性响应。本案例为研究者提供了一种具有较低计算成本的方法,适用于研究高价值复合材料中的大尺度渐进损伤和失效分析。 参考 […]

煤气化过程中CuFe2O4改性膨润土对元素Hg的吸附-氧化作用研究(Fuel 2022)

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研究内容 本文基于煤气化过程中存在的重金属Hg释放污染问题展开研究,针对Hg元素的释放特征,将CuFe2O4改性膨润土引入到煤气化过程实现Hg元素的原位吸附-氧化-脱除。本研究中融合了实验和热力学的技术方法,首先研究了CuFe2O4活性组分对煤气化过程中Hg的脱除效果。然后,采用密度泛函理论计算分析了CuFe2O4对Hg的吸附和氧化作用机理。该研究表明CuFe2O4改性膨润土作为一种高效、可回收的矿物吸附剂,为煤气化过程中Hg的脱除提供了一种创新的思路。 Fig.1 Role of CuFe2O4 in elemental mercury adsorption and oxidation on modified bentonite for coal gasification 要点1: 通过还原-氧化方法制备的CuFe2O4改性的膨润土增加了煤气化过程中吸附剂表面吸附Hg0的活性位点,使膨润土具有有效的磁性能,如图Fig. 2和Fig. 3所示。与纯膨润土相比,CuFe2O4改性的膨润土能够将更多的Hg0转化为Hg2+和颗粒状汞[Hg(P)],表现出更好的吸附和催化性能。此外,CuFe2O4改性的膨润土在煤气化高温过程中具有稳定的循环性能,如图Fig. 4所示。 Fig. 2. The morphologies of 30 wt%CuFe2O4/Ben. (a) and (b)SEM; (c)XRD; (d) Magnetization Fig. 3. The Hg0 removal performances with Ben and 30 wt%CuFe2O4/Ben.Changes in Hg0 with time;(b) Distributions of Hg with Ben and 30 wt%CuFe2O4/Ben Fig. 4. The regeneration […]

稀土掺杂单层二硫化钨的电子和光学性质【QuantumATK亮点文章】

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概述 此项研究了计算了含钬取代杂质(HoW)单层二硫化钨(WS2)的电学和光学性质。虽然 Ho 比 W 大得多,但使用包括自旋-轨道耦合的密度泛函理论(DFT)表明 Ho:SL WS2 是稳定的。自旋分辨 DFT 计算给出 Ho 杂质的磁矩为 4.75µB。在光谱中识别出的光学选择规则与用群论推导的光学选择规则完全匹配。中性杂质的存在导致了带结构中具有f轨道特征的局域杂质态(LIS)。利用 Kubo-Greenwood 公式计算得到的光学响应 χ‖ 和 χ⊥ 的平面内和平面外分量中获得了类似原子的尖锐跃迁,光学谐振峰与实验数据吻合良好。 研究内容 图1.(a)8×8×1 SL WS2 超胞中 HoW 杂质示意图。(b)本征 SL WS2 的能带和态密度,显示面内带隙 1.6 eV,面外带隙3.2 eV。 价带边缘由于自旋轨道耦合(SOC)发生了大小为 433 meV 的劈裂。DOS 中的灰色区域为总态密度,红线为 W 的 d 轨道;蓝线为 S 的 p 轨道,黑线为二者之和。(c)本征 WS2 的光学响应,显示了面内和面外的带隙。 图2. HoW 掺杂的 8×8×1 WS2 超胞的能带和态密度。灰色区域为总态密度,彩色曲线为态密度投影(蓝:Ho 原子的f轨道;绿:邻近 S 原子的 p 轨道;红:次紧邻 W 原子的 […]

分析增材制造冠状动脉支架【Simpleware应用】

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概述 激光粉末床熔合技术(L-PBF)在金属增材制造(AM)方面的发展能够实现在微米范围内制造出高度多孔的细胞结构,因此理论上可以用于制造冠状动脉支架。 然而,工艺产生的不平整带来了特别的挑战,导致实际的 L-PBF 支架与预期支架(CAD 模型)在形态和力学性能上都存在偏差。本次分析着重关注 L-PBF 支架的膨胀行为。为进一步研究这些不平整造成的影响,基于真实和计算机重建L-PBF 支架建立实验和计算的联合框架。 亮点 使用Simpleware ScanIP 基于 µCT 数据重建 L-PBF 支架模型使用 Simpleware FE 生成稳健高效的支架网格模型,使用 Abaqus FEA 软件进行后续的结构分析基于重构的支架模型,采用实验测试和数值分析相结合的方法反演确定 L-PBF 支架的力学性能分析工艺产生的不平整对力学行为的影响,特别是 L-PBF 支架的膨胀行为。 实验数据 由 FIT Production GmbH 公司制造的激光粉末床融合(L-PBF)支架,考虑了两种分析 L-PBF 支架的后处理状态:1)热处理;2)电抛光和热处理。在支架被放置在两块板之间压缩以确定它们的径向强度之前,首先获取支架结构的 µCT 图像。在原始的实验中还对制造的支架做了进一步研究(详见参考信息)。 支架模型重建及FEA 将 µCT 数据导入 Simpleware ScanIP,使用 Flood Fill 工具进行分割,计算内部孔隙率。使用形态滤波器(erode、dilate、open和close)和 Boolean 布尔运算,生成内部空隙的三维模型。在 Simpleware FE 模块中对支架模型进行网格划分,由稳健的算法生成高质量的 FE 网格。然后将支架模型直接导入 SIMULIA Abaqus FEA 软件进行结构力学分析,重点研究支架在两个平板间的压缩和支架—球囊的扩张。 图:三个模型离散化图示。从左至右分别为:重建经热处理支架模型、重建经热处理和电抛光支架模型、以CAD模型为参考支架模型。 图:三个模型在压缩 0.8 mm 时外表面 […]