麻总百瀚 | 听觉系统的生物多尺度多物理场研究和医学人工智能

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Simpleware厂商采访了哈佛大学医学院和麻总百瀚麻省眼耳医院的 Hamid Motallebzadeh 博士,了解他在计算生物力学和耳朵方面的研究工作。Hamid 作为 Simpleware 软件的长期用户,已经成功地从解剖学数据中创建了一系列针对不同应用的模型。显然地,无论是提高植入物的有效性或是应用人工智能研究耳朵,Simpleware 软件都发挥了重要的作用。 Hamid Motallebzadeh博士 哈佛医学院耳鼻咽喉头颈外科(OHNS)讲师,麻省眼耳医院研究员。具有计算生物力学专业背景,目前的工作重点是声学、听觉力学和新生儿听力筛查,研究方法包括听觉系统的多尺度多物理生物力学和医学人工智能。 研究内容 主要是开发计算模型解释实验数据,以及理解和预测因测量受到限制而无法进行实验研究情况下的系统行为。目前由 NIH(美国国立卫生研究院)支持的在研项目中涉及从数值模拟生成合成的数据集,特别是用来训练机器学习算法的有限元模型,从而推断中耳状态。 Simpleware的应用 构建有限元模型的第一步是创建感兴趣系统的几何结构。听觉系统的几何结构通常由分割 CT 或 micro-CT 图像获得。2016 年在哈佛大学医学院做博士后相关课题研究时,我研究过几款可以分割临床图像的软件。Simpleware 就是其中之一,鉴于其先进的功能、友好的环境界面和高效的客户服务,我们团队最终决定采购。在此之后,我们就一直使用 Simpleware 重建生物系统模型,不仅用于计算模拟,还可用于结构分析和插图。 头部模型的重要性 我们正在进行以及计划中的项目研究都需要用到完整的头部模型,如骨传导听觉通路和听力植入物及其与周围骨骼的相互作用。由于复合波穿过颅骨的传播方式和受试者的变异性,这种性质的实验测量即使能够实现,也是非常具有挑战性的。此外,在尸体标本上无法研究活性骨的建模和改造过程,借助于有限元建模这种有前景的方法可以研究骨锚式听力植入物的长期表现和活性骨整合过程。 在我们设计的几项包含完整头部有限元模型的项目中,一种是通过颅骨绘制 3D 振动传递模式,长期目标是设计更有效的植入物和外科植入。另一个项目是无创地监测和量化术后骨整合过程,确定骨骼-植入物整合连接外部处理单元的完成情况。这项研究采用了专用于听力植入物的高频振动下骨骼建模和改造结构的机械静态理论计算模型。 未来发展和挑战 我们目前的重点是开发包括固有解剖变异的有限元模型,思路是模拟中耳的正常和病理情况,并生成一个大的合成数据集,所得数据将用于训练从临床数据中推断中耳状态的机器学习算法。在开发这些中耳 3D 结构方面存在着许多挑战,耳膜厚度等精细的结构特征与 μCT 图像的体素尺寸大小相似。因此分割通常需要由人工完成,耗时且比较依赖于建模者的经验。而且不同部位的灰度值过于接近,交界处也不是很清晰,对自动分割的开发也是一个难题。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/harvard-medical-school.html

个性化模拟去骨瓣减压术

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需要进行侵入性脑手术的常见原因是来自肿胀变形产生的的致命压力。在这种情况下,神经外科医生会尝试通过去骨瓣减压术缓解压力,切开颅骨让大脑“膨出”。这种方法通常是基于个人经验,具有导致患者严重残疾的风险。在去骨瓣减压术中,大脑神经纤维即轴突有被切断的风险,因此该手术成为外科医生“最后的手段”。 斯蒂文斯理工学院、斯坦福大学、牛津大学、埃克塞特大学等在该领域都已取得了突破性的进展。研究人员开发的工作流程中,使用 Simpleware 软件处理医学图像和生成大脑的有限元(FE)模型,用以模拟不同条件下的开颅手术。这些方法的运用能够使神经外科医生深入地了解极端状况下的组织运动学,有助于规划开颅手术的形状和位置。 创建大脑模型 图1:由3Tesla扫描设备获得成年女性脑部 MRI 图像 大脑包含数十亿神经元和数万亿的突触,所以建模会非常困难。使用 Simpleware 软件通过分割大脑和颅骨的关键区域可以降低这种复杂性。从 3T 扫描仪(GE)获取成年女性头部 MRI数据,导入 Simpleware ScanIP 中进行图像处理,识别分割出感兴趣区域,如组织、小脑、皮肤和颅骨等。 图2:在 Simpleware 软件中创建的头部 FE 网格模型 接下来的挑战是从复杂的分割图像数据中生成可用于仿真的有限元模型。在 Simpleware FE 中利用专有算法同时对不同区域进行精细地网格划分,生成的网格模型可直接用于仿真求解器,无需其他任何后处理。 模拟去骨瓣减压术 将有限元网格模型导入 ABAQUS ,研究具有两种不同颅骨开口的颅骨切除模型:单侧瓣和额部骨瓣。定义材料模型、边界条件、相互作用、约束后,分析不同的溶胀场景。模拟的目的是预测去骨瓣减压手术对大脑的机械负荷,包括白质组织和特定半球的最大体积肿胀。 图3:去骨瓣减压术计算模拟的矢状面和横断面及对应的左侧大脑半球肿胀 结果&结论 该方法研究了位移场、最大主应变以及径向和切向轴突拉伸的影响。模拟可以确定最佳的开口大小,从而控制压力和最大限度地减少轴突损伤的风险。颅骨开口边缘处高强度拉伸的结果表明,预计较大的颅骨切口会减少和分散在大脑中的轴突负荷。研究还发现,打开肿胀同侧的颅骨会产生更好的患者预后。 图4:三种不同脑肿胀场景的中线移位 个性化的头部和大脑模型是改善去骨瓣减压手术效果的有效工具。神经外科医生受益于能够获得辅助术前规划的新数据,同时不同场景的模拟可以实现针对特定患者的手术方案。更长期的临床影响包括减少手术并发症和需要进行的实验测试。在未来,该工作流程可以扩展到任何涉及脑损伤、撞击以及电磁(EM)治疗的场景中。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/simulating-brain-surgery.htmlWeickenmeier, J., Saez, P., Butler, C.A.M., Young, P.G., Goriely, A., Kuhl, E., 2017. Bulging Brains. Journal of Elasticity, 129(1-2), […]

了解肠外药瓶完整性的瓶塞密封工艺

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概述 用于密封含有肠外药的玻璃瓶最常用的密封系统是由压接铝带固定弹性体瓶塞。这种密封系统可用于保护容器内物质免受包括微生物污染在内的环境因素影响。X 射线微型计算机断层扫描(micro-CT)可提供肠外药瓶密封前后关于弹性体瓶塞和铝带位置的详细信息,用于评估密封完整性和判断是否需要改进密封工艺以确保密封的完整性。在与 Micro Photonics 公司的联合项目中,使用 Simpleware 软件对 micro-CT 数据进行精确地建模和分析。 亮点 通过 X 射线 CT 数据详细研究药瓶的完整性Simpleware 软件可用于图像处理、分割和封帽变形的表面偏差分析本项目为更广泛地分析不同药瓶封帽应用场景拓展了更多可能 图像获取 在密封工艺完成前后从生产线上拿出的两个独立的药瓶进行高分辨率 X 射线 micro-CT 扫描。第一个药瓶代表开放结构,弹性体瓶塞和铝带准备就绪,但铝带还没被压变形,瓶塞也没被压缩。第二个药瓶代表封闭或密封结构,铝带已经完全卷曲,从而压缩瓶塞密封药瓶。在 Bruker SkyScan 1275 Micro – CT 设备上成像,重建投影为各向同性体素大小为 25 微米的连续切片图像。 图:密封工艺中两个不同阶段里肠外药瓶的高分辨率 micro-CT 扫描,左图为开放结构,右图为封闭结构。 图像处理/分割 将每个药瓶的位图图像堆叠导入 Simpleware ScanIP 软件环境,结合使用阈值、形态学滤波器和 3D 编辑工具分割出两种结构中的瓶身、瓶塞和密封带。对分割后的数据应用平滑滤波器,在进一步处理之前平滑表面。 图:使用 Simpleware 软件创建开放结构中分割出的瓶身和密封铝带(左)及其遮盖下未被压缩的瓶塞(右) 密封过程的表征 将两个药瓶结构中分割出的瓶塞和铝带转化为 STL 文件,导入含有开放药瓶结构的项目文件中进行比较。在 Simpleware CAD 模块中,通过与开放结构中瓶塞的对比和表面偏差分析,量化封闭结构中瓶塞的变形。表面偏差流程中需要对封闭结构和开放结构中瓶塞与瓶顶部接触的同等面进行配准。 通过把开放的瓶塞作为参考面和测量开放瓶塞上采样点到变形瓶塞上最近点间的距离进行表面偏差统计。然后将测量获得的距离以参考瓶塞上彩色图的形式展示。还可以在 Simpleware ScanIP 中将变形的铝带叠放在原始的开放铝带图像上,从而可视化密封过程中铝带的变形。同时将铝带与药瓶表面配准,图像显示创建了封闭结构铝带相对于开放铝带的重叠部分,方便观察变形。 结果 将变形的瓶塞叠放在开放的瓶塞和瓶身图像上,可以提供关于密封过程中瓶塞如何变形的定性信息。瓶塞的顶部被压缩,使得塞子在药瓶的上表面和边缘发生横向变形。在密封过程中,可以看到位于瓶子颈部内的塞子部分被迫向下进入药瓶。 图:A)变形瓶塞的剖面(绿色)叠放在开放瓶塞(红色)和药瓶的剖面上;B)变形铝带剖面(绿色)叠放在开放密封带(红色)和药瓶的剖面上;C)开放结构中的瓶塞和密封带;D)封闭结构中的瓶塞和密封带。测量显示,相较于开放结构,封闭结构的封帽被压缩了 22%。 Simpleware 软件中的表面偏差图将变形量化,展示并计算了瓶塞壁的横向变形、塞子顶部的向下变形和底部向瓶内的移动。瓶塞的最大变形为 1.07 mm,最大的变形区域对应在塞子顶部。据观察,瓶塞侧壁的横向变形与集中在瓶塞侧的最大横向变形不一致。 图:(1)封闭结构的变形瓶塞(半透明绿色)叠放在开放的瓶塞上(红色);B)、C)和D)彩图通过以开放瓶塞作为参考面展示封闭结构瓶塞的变形。 获得的数据还表明铝带的变形(压接)不一致。 图:开放结构中金属密封带的下面(左)以及封闭结构(右),可观察到封闭结构中压接不均匀性。 本案例研究展示了一种无损量化和评价肠外药瓶密封过程中弹性体封帽和密封带变形的方法。附加的工作是要建立变形值与药瓶实际密封质量之间的关联。为了进一步开发这个模型,需要在不同的药瓶封帽机设置下对密封药瓶进行额外的测试。还应对这些另外的样品进行传统的容器密闭完整性测试(CCIT),并与本文所述方法获得结果进行比较。通过将这些结果进行关联,可以更好地理解密封过程中塞子和密封带的变形如何影响密封的完整性。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/vials.html

肿瘤手术的术前规划、虚拟仿真和手术导板

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概述 3D LifePrints 公司使用 Simpleware 软件从患者图像获得 3D 打印的解剖模型,用于3D虚拟仿真和手术导板设计。Simpleware 用于诊断的 3D 打印正在帮助3D LifePrints 实现即时医疗(POC)3D 打印以及嵌入式临床。 3D LifePrints 重点关注的专科之一是肿瘤外科,目前已在英国的一些专科医院开展合作。他们的工程师帮助手术团队处理困难和复杂的病例,参与到切割导板的设计和制造。这里展示两个最近的成功案例,包括半骨盆切除术和定向髂骨切除术。 亮点 使用 Simpleware ScanIP 导入和可视化 CT 扫描,分割骨骼使用 Ansys 软件进行骨骼/器械间相互作用的模拟3D 打印包含定制植入物的患者骨骼模型虚拟手术规划辅助最终的手术和植入该工作流程节省时间并可更好的支持临床决策 PI/II 半骨盆切除术 在本例中,3D LifePrints 需要创建灭菌性手术导板,协助切除患者左半骨盆被肿瘤肿块破坏的部分。由于肿瘤切除手术日期紧迫,需要快速完成服务。工程师使用 Simpleware ScanIP Medical 对患者最新的 MRI 和 CT 扫描数据进行分割,创建包含肉瘤的左半骨盆虚拟模型。然后通过安全的手术切缘使肉瘤数字化扩增,突出显示以更好地区分,帮助外科医生评估和确定最佳手术切割平面。 3D LifePrints制作了3种不同的手术导板:(1)通过髂骨侧方的双平面切口(2)通过耻骨的单切口(3)引导通过坐骨的单切口。3种导板均采用可灭菌的USP Class VI生物相容性透明材料Biomed Clear,在该医院内3D Life Prints控制环境设备Formlabs 3B 3D打印机上打印制成。 图:由Simpleware生成的PI/II 半骨盆切除术模型 3D Life Prints能够在5天内创建解剖模型和设计制造导板,满足手术紧迫性的需求。手术团队使用解剖模型和导板作为术前工具,与患者详细讨论肿瘤的复发和转移。在术中,最佳匹配的导板帮助实现单一的后路扩大技术,显著缩短手术时间。 定向髂骨切除术 第二个案例的患者在常规扫描中被发现显示为无症状1级软骨肉瘤,然后进行了单独的进一步检查。肿瘤较小且位于患者的左侧髂骨,因此外科医生希望进行有针对性的、保留骨骼的切除术,确保合适的切缘以保留髂骨的完整性。 因此,3D LifePrints为该手术设计并提供了患者特定的灭菌手术钻孔导板。使用Simpleware ScanIP Medical从患者的CT和MRI扫描中分割出骨骼和肿瘤结构。然后将这些解剖结构组合为虚拟的模型,其中通过肿瘤的数字化生长创建安全的手术切缘。突出显示边界以获得更好的可视化,方便外科医生确定最佳的切除路径。 3D LifePrints使用Biomed Clear材料制作患者专用的圆形钻孔通道导板,并将3D打印的解剖模型交付给手术团队供术中参考。 图:为定向髂骨切除术准备的3D打印模型和手术导板 导板拟合良好,外科医生通过必要的钻孔引导后续的截骨手术,使手术变得简单并在一小时内完成。总的来说,手术团队高度赞扬了导板的精度水平。这种精确性意味着在保留骶髂关节和避开神经血管结构的同时,可以安全地切除肿瘤。术后患者经历了快速的康复期。 总结 3D LifePrints目前的应用和正在开发的专科手术领域,以及它们通过嵌入式中心密切参与临床站点,展示了将患者数字化、设备产品和服务带向即时医疗的巨大潜力。Simpleware软件可以支持3D LifePrints实现快速高效的工作流程,通过医学影像到3D打印等虚拟方法帮助改善患者治疗。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/oncological-surgical-planning.html

患者颅缝早闭矫正的计算模拟

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概述 人字缝早闭型颅缝早闭(LC)是一种罕见的非综合征型颅缝早闭,特征是出生时头后部人字缝融合。虽然有像弹簧辅助颅成形术这样的手术选择,但美学效果通常并不理想。为了解决这个问题,研究人员开发的 LC 颅骨参数化有限元(FE)模型可以用来优化将来的弹簧手术。 选择三名接受弹簧辅助颅成形术的患者作为研究对象,在 Simpleware 软件中由他们术前 CT 数据创建颅骨结构模型。然后模拟比较术前 CT 图像和手术的颅骨生长,通过在虚拟场景中重现这一过程,可能有助于改善未来的 LC 手术。 亮点 为了更好地理解颅缝早闭的干预措施,在 Simpleware 软件中使用CT图像创建FE模型在 Simpleware CAD 模块中比较颅骨生长的表面偏差模拟用于比较术前 CT 成像、手术干预和术后干预目标是改善未来的外科实践 数据获取与重建 3 例因颅骨形态异常的 LC 患者在英国伦敦大奥蒙德街医院颅颌面外科接受了弹簧辅助颅成形术,并在术前和术后进行头部 CT 扫描。将 CT 图像导入 Simpleware ScanIP 软件中重建这两个不同阶段的颅骨,经过分割和处理以确定颅骨至上颌骨及骨缝结构的骨骼。 图:使用 Simpleware 软件从 CT 图像重建患者术前和术后的颅骨模型 为模拟划分网格 在 Simpleware FE 中采用结构化的 3D 四面体单元生成颅骨的有限元(FE)模型,对不同的解剖区域赋予合适的材料属性建模。在对颅骨模型进行截骨之前,通过使用热膨胀系数在 MSC Marc 中近似模拟术前成像和手术之间的颅骨生长。将颅内体积(ICV)作为表示不同阶段颅骨大小的参数,包括在 Simpleware ScanIP 中通过选择颅顶内表面进行术前CT重建。 通过在 Simpleware ScanIP […]

基于患者医学图像建模预测膝关节置换术结果

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膝关节运动的计算模拟可以通过患者模型基于全膝关节置换术(TKA)后关节动力学研究 TKA 的结果。澳大利亚的 360 MedCare 公司使用 Simpleware 软件创建模型,并于近日开发了一种采用 3D 图像处理/分析结合预测算法综合考虑患者报告结局与深屈膝计算模拟输出,从而评估手术结果的方法。360 MedCare 的工程师与多家医院、骨科研究机构和企业合作获得了关于TKA手术规划的新见解,并在《The Knee》杂志发表了他们的研究成果。 图:从 3D 图像分割到患者个性化模拟的生成(第一组) 开发术前工具 尽管 TKA 是一种普遍成功率较高的手术,但部分患者术后会出现问题,其中植入位置不佳是主要原因之一。提升针对特定患者膝关节动力学以及它们如何与植入物相互作用的理解对于通过创建数据改进手术规划至关重要。对给定植入物选型与组件对齐结果进行运动学模拟,这样的虚拟术前试验可以查看和比较不同对齐方案的模拟结果。将其与患者报告结局(PROs)联系在一起时,预测算法可能有助于选择未来患者的手术规划。 完整工作流程的简要总结如下: 采用计算机断层扫描(CT)收集不同TKA患者的图像数据,第一组含有术前和术后扫描及结局调查,第二组为随机选择含有术前扫描的膝关节样本(术后扫描不是必要的);在 Simpleware 软件中采用半自动化流程重建患者股骨和胫骨的三维模型,标注解剖标志展示该患者软组织附着物和骨轴;第一组:TKA 后在 Simpleware 软件中将术前骨骼和3D植入物结构文件与分割的术后CT扫描进行配准;利用创建的三维模型运行深屈膝的多体动力学仿真,然后将结果用于机器学习算法的运行,预测术后12个月膝关节损伤与骨关节炎评分(KOSS)中患者可接受症状状态(PASS)评分;第二组:结合术前患者数据和预测模型评估其临床规划的性能;生成的预测算法(动态膝关节评分)包含不同的特征,预测 PASS KOOS 评分达到的曲线下面积(AOC)为0.64。 图:周期伸展(活动)的部分期间患者早期屈曲的模拟 未来影响 研究发现,该方法有可能成为 TKA 手术决策过程中的强大辅助工具,但需要在除现有技术之外以及项目未涵盖非手术因素的背景下使用。该方法的应用可能还包括协助在其他可选的合理手术对齐计划间确定最佳结果。考虑到在髋关节和其他部位的手术规划中越来越多地使用到基于图像的工作流程,以及开发基于机器学习的方法加速常见任务,360 MedCare 的工作展示出未来应用的广阔前景,继续期待他们更好的发展。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/tka-360medcare.htmlTwiggs J, Miles B, Roe J, et al. Can TKA outcomes be predicted with computational simulation? Generation […]

N95 口罩过滤器的高效 3D 打印

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N95 口罩在新型冠状病毒肺炎(COVID-19)大流行期间需求量非常大,因为它透气性好,又能够有效保护公众,同时还可以通过可重复性使用减少环境中的废弃物。3D打印的N95医用口罩过滤器还具有抗菌性或可灭菌性,且适合于灵活设计。然而,这些过滤器的生产速度缓慢,目前相关产业正在通过粘结剂喷射3D打印、micro-CT 扫描、三维图像处理和 CFD 模拟等工作流程解决这一问题。匹兹堡大学、ExOne、Ansys 和 Synopsys 的研究人员致力于开发一种高效的数字化原型工艺,有助于在制造3D打印铜和不锈钢口罩过滤器时节省时间和资源。 图:带过滤器的N95口罩示例 优化 3D 打印过滤器 整合不同资源创建过滤器的工作流: ExOne 公司利用粘结剂喷射打印和烧结的方法获得不同的过滤器样品及其实验数据。使用 Bruker SkyScan 12972 uCT 设备扫描样品。将扫描图像数据导入 Simpleware 软件,对多孔结构进行分割,生成可用于模拟的 CFD 网格模型。采用 Ansys FLUENT 分析 N95 口罩正常使用时的性能,包括多孔电阻和不同条件下 Simpleware 精细网格的模拟运行,从而预测哪些金属粉末/烧结组合符合可接受的过滤标准。结果表明,相较于 1 µm 颗粒,打印的过滤器提高了对 5 µm 颗粒的过滤效率。研究高、低流量区间如何为口罩设计和提高性能提供见解。 图:在 Simpleware 软件中创建的 CFD 网格(左)和 Ansys FLUENT 中的颗粒流模拟:1 µm 颗粒(效率58%)(中)和 5 µm 颗粒(效率97%)(右)。 未来影响 鉴于对 N95 口罩和高效过滤器制造的持续需求,这种结合粘结剂喷射3D打印和打印及后处理参数的迭代优化有望提高灭菌型金属 N95 […]

美敦力:利用数字孪生研究房室传导阻滞

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数字孪生作为再现复杂解剖结构和模拟研究身体与医疗器械之间关系的技术资源,其重要性与日俱增。在医疗行业应用的关键优势之一是能够通过虚拟测试收集数据以补充临床试验,并为制造商增加监管证据。美敦力公司在这方面已经取得一些进展,近期Kevin Sack博士发表的工作成果中使用Simpleware软件创建了一个数字孪生,由经验证的机电全心脏模型研究房室(AV)传导阻滞。 图:示意图展示了机电四腔心脏与由顺应性和阻力项组成集总循环系统之间的连接 创建数字孪生 美敦力构建并验证了一个针对特定受试者的四腔猪心脏模型,从体内数据中研究机电耦合现象。完整工作流程的简要总结为: 对已消融房室结和安装有Micra AV™ 起搏器的家养猪进行CT扫描,将图像数据导入Simpleware中做分割处理,识别出心房并在舒张末期创建心室,然后生成用于仿真的网格。该网格模型的构建是为了研究机电耦合性能,包括用实验记录的LV压力-容积环进行机械校准,通过比较从体内CT扫描创建电子模型的左、右心室表面进行验证。将验证的模型函数与同一受试者的房室传导阻滞仿真进行对比。 从这项研究中,美敦力能够证明除了传导中断,房室传导阻滞还会引起心搏脱漏后舒张期整个心脏应力和应变的增大。更普遍地说,该项目验证了四腔跳动心脏模型的机电功能,用以研究病理功能障碍,并收获了关于心脏的宝贵知识。 深远影响 随着数字孪生成为医疗器械制造商和临床专业人员更加倾向使用的研究工具,美敦力这项研究取得的成果展示出数字孪生在加速新疗法和理解性能方面的巨大潜力。此外,计算模型提供的灵活性意味着可以获得有用的数据,这些数据可能从患者那里收集会非常困难或有风险。 我们也很期待把数字孪生作为计算工作流程的一部分之后还将如何发展。Simpleware软件非常适合为这些应用提供快速准确的图像数据分割服务,尤其是最近推出的人工智能工具可以极大加速处理扫描数据时的常见工作流程。 图:一个完整周期内正常(中图)和房室传导阻滞(上图)机电耦合全心脏模型中的触发激活。左心室压力值对应不同时间(a-f)的标记位置(下图)。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/digital-twins-medtronic.htmlSack K L, Blauer J J, Campbell M P, et al. Creating a Digital Twin to Investigate AV Block: In-sights From a Validated Electromechanical Full-Heart Model[C]//2020 Computing in Cardiology. IEEE, 2020: 1-4.

Simpleware自动化解决方案助力药物递送的微结构透皮系统研发【应用领域新闻】

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Kindeva 与 Synopsys 开展合作 2022 年 6 月 Kindeva 药物递送公司(简称Kindeva)宣布与 Synopsys 公司合作,利用 Simpleware 软件的自动化解决方案,协助创建一个能够准确测量 Kindeva 微结构透皮系统(MTS)阵列的最先进系统。 此次合作将利用Simpleware图像处理和基于机器学习的人工智能(AI)技术,实现快速准确测量Kindeva的MTS阵列。借助于这个定制化的软件,Kindeva 将能够采用更有效的方式分析计算机断层扫描(CT)图像。之前通过传统方式测量Kindeva阵列微针和涂层几何属性是一个耗时且技术上非常复杂的过程。 Kindeva是一家全球性的合同定制研发生产机构(CDMO),微针平台开发领域的国际领先者。Kindeva 已将微针递送系统带入第III阶段开发状态,并持续改进制造工艺,以达到客户和患者所需的质量和效率。 “通过使用 Simpleware 软件,Kindeva 将能够在几分钟内完成以前需要几天才能完成的工作,它的能力确实令人惊讶。以往我们必须手动测量阵列的各组数据,甚至要依靠统计计算获取每个阵列的整体测量值。现在我们可以通过测量获得所有的数据,不再需要统计概率计算,大大提高了质量和整体速度。”Kindeva研发副总裁 Raj Khankari 评价道。 Synopsys 的工程副总裁 Terry Ma 说“在由 AI 技术支持的 Simpleware 定制化模块帮助下,Kindeva 基于 CT的自动化检测工作流程可以有效地扩大规模。我们的解决方案将确保提供一致的高质量、高准确性和可重复性,减少在手动重复性任务上的耗时,并加快新入职工程师的培训过程。我们非常期待与 Kindeva 之后的合作,进一步深化伙伴关系,为客户带来更高的价值。” 关于 Kindeva 药物递送公司 Kindeva 药物递送公司总部位于美国明尼苏达州,全球拥有约 1000 名员工。在明尼苏达州伍德伯里、加利福尼亚州北岭以及英国拉夫堡和克利瑟罗都设有重要的研发和生产基地。Kindeva 为客户提供从配方、产品研发到商业生产完整过程中的独有技术和优质服务。Kindeva 专注于复杂的药物项目,其目前的产品涵盖吸入、透皮、微针透皮系统和连接药物递送。 参考 原文与更多信息请参考:https://www.kindevadd.com/news/kindeva-drug-delivery-announces-collaboration-with-synopsys/

通过新颖的颅外皮层刺激技术进行微创神经调节【Simpleware应用】

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概述 颅外皮层刺激(ECS)是一种新型神经调节技术,优点是以微创的方式向大脑传递强电场。为了展示它的潜力,计算模型在评估软组织内电场的研究中不可或缺。鲁汶大学的研究人员使用Simpleware软件创建了一个植入ECS电极的真实人体头部模型,并生成四面体网格模型,然后将其导出至仿真软件(COMSOL Multiphysics)进行模拟。Simpleware软件的一个重要特点是能够在感兴趣区域(ROI)生成致密的高质量网格,从而以低成本高效益的方式产生准确的结果。该项目成果已发表在《神经科学前沿》。 亮点 颅外皮层刺激被认为能够在大脑中引发强电场在Simpleware ScanIP中创建植入ECS电极的真实人体头部模型在Simpleware FE中对ROI生成高密度的四面体网格将网格模型导出至COMSOL Multiphysics仿真结果表明ECS可以向大脑传递强电场 介绍 皮层刺激技术已被证明可以有效治疗不同病理和精神疾病,包括侵入式和非侵入式的方法。就前者而言,直接皮层电刺激(DCS)需要通过开颅手术将电极直接放置在大脑上。DCS能够产生强烈的神经调节作用,但患者面临着较高的风险。相比之下,经颅电刺激(tES)是一种非侵入式的神经调节技术,附着在头皮上的电极之间传递较弱的电流更为安全。 鲁汶大学的研究人员开发了一种新颖的微创神经调节技术 – – 颅外皮层刺激(ECS),通过将刺激电极直接放置在皮下颅骨上,进而提高治疗效果。该项目研究了ECS向大脑传递强电场的潜力,使用计算模型评估ECS期间感应皮层电场,并与tES和DCS进行比较。为此,他们使用Simpleware软件生成包含所需电极的高质量人体头部模型,然后导出至COMSOL Multiphysics模拟电场分布。 人体头部建模 为了生成人体头部模型,将详细模型MIDA(Iacono et al., 2015)导入Simpleware ScanIP。该模型由115个面网格组成,代表着从头部扫描中分割出的不同组织。使用Simpleware CAD模块将面网格转换为基于图像的掩膜,然后合并形成感兴趣的5个主要掩膜:皮肤、颅骨、脑脊液、灰质、白质,以及空气。这些掩膜显示导入的表面之间有一些跟实际情况不一致的现象,比如间隙,即两个相邻代表组织的掩膜之间出现了空的体素。这些缺陷是不真实的,还可能会影响网格的生成。利用Simpleware ScanIP中的图像处理工具可以填充孔洞,修正这种情况。 图:人体头部模型矢状位视图(在Simpleware ScanIP中获取)的截图清晰地展示了不同颜色区分的分割组织:皮肤(橙色)、颅骨(淡黄色)、脑脊液(蓝色)、灰质(深灰色)、白质(浅灰色)和空气(黑色)。 电极建模 所述ECS电极由中心圆盘、环形电极以及防止电流通过皮肤的绝缘背层组成。首先通过使用Simpleware 3D编辑工具扩张皮肤掩膜的副本创建电极层,然后应用布尔运算工具保持掩膜部分与皮肤相交。 生成电极层后,在此基础上创建一个具有特定半径、方向和位置的圆柱形掩膜,将它与电极层交叉的部分定义为中心圆盘。同样地,环形电极是通过两个半径分别为环形内缘和外缘的圆盘电极相减获得。为了模拟绝缘背层,同样采用了类似生成电极的方法,确保各层覆盖到了所有电极以防止与皮肤直接接触。 图:植入电极后的人体头部模型。左:矢状位视图(在Simpleware ScanIP中获取),中心圆盘和环形电极呈红色,绝缘层呈绿色。右图:Simpleware ScanIP中3D视图的截图,对皮肤和绝缘层设置了较高的透明度,可以更好地展示颅骨上的电极。 生成四面体网格 在创建了人体头部和电极的模型后,在Simpleware FE模块中生成四面体网格。为了得到更精确的模拟结果,在电极周围区域增加了四面体网格的单元数量。这是一个非常有用的功能,在保持合理网格数量和模拟时间的同时,提高了模型结果的准确性。 图:在Simpleware FE中生成的人体头部多部分体积网格模型,包括:白质、灰质、脊髓液、颅骨、电极组件、软组织和空气。 模拟和结果 将四面体网格模型导入COMSOL Multiphysics,设置边界条件,通过求解Laplace方程计算电场。结果表明,ECS期间产生的电场是tES产生电场的20倍以上,感应皮层电场的强度和焦距取决于电极尺寸和中心电极与环形电极之间的距离。 图:同样施加1 mA电流时,COMSOL仿真结果显示ECS(左)和tES(右)期间的电场分布(请注意刻度的范围)。从图中可以看出,与tES相比,ECS期间的电场强度更强、更集中。 结论 颅外皮层刺激(ECS)是一种新型的微创神经调控技术,能够产生较强的皮层电场,已由Simpleware软件和COMSOL Multiphysics生成的计算模型证实。该技术可应用于刺激不同的皮层区域,治疗多种神经和心理疾病。研究结果表明,电极的配置会影响大脑中的电场强度和聚焦。为了避免不必要的副作用并实现最佳治疗效果,未来的计算研究应侧重于优化电极设计,达到只针对特定皮层区域而不刺激其他部位的目的。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/epicranial-cortical-stimulation.htmlKhatoun, A., Asamoah, B., Mc Laughlin, M., 2018. Investigating the Feasibility of […]