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.

概述 支架内血栓是冠状动脉支架及支架介入治疗的主要并发症，虽然发病率较低，但往往是不可预料和致命性的，仅通过临床研究难以探索其机理。因此，在这些设备的技术进步过程中，实验模型对于进一步了解设备的安全性和有效性是不可或缺的。除模型外，我们还需要结合先进成像处理技术的新颖分析方法。创建冠状动脉支架性能的流动循环模型并应用数字信号处理技术，研究因支架几何特征产生的局部流动效应，以及最终与血栓形成的关系。 亮点 利用 MicroCT 图像数据研究支架几何特征及其与血栓形成的关系使用 Simpleware 软件重建支架支柱，将定量数据发送到MATLAB进行分析实验数据和先进图像处理的结合为支架设计和血栓形成提供了深入的理解 收集实验数据 通过体外流动循环装置模拟与人类冠状动脉相似的血液流动状态。将支架放置在各种膨胀条件下的流动循环中。流动循环运行完成后，将试样经过 Micro CT 扫描获得的 DICOM 文件导入 Simpleware ScanIP 中处理。 Simpleware 中的图像处理 Micro CT 数据导入 Simpleware ScanIP 后，使用之前实验测试中预先计算的阈值水平从血块形成和循环液中分割出支架支柱。作为三维可视化工作流程的一部分，采用平滑滤波器创建连续的结构。随后利用Simpleware ScanIP API 接口为每张 Micro CT 切片中每个掩膜提取像素值，绘制血栓形成的示意图。并使用定制的 MATLAB 程序提取支柱的位置信息，并由每个切片上的掩膜像素值计算壁面距离。 图：用Simpleware ScanIP软件重建其中一个支架支柱 结果和未来展望 结果表明，支架几何特征在凝血模式中发挥着重要的作用，特别是在频率 0.6225 Hz 时对应的几何距离为1.606 mm。在所有试样中，几何特征和血块分布之间的相关性平方数大于 0.4。 图：最上面的三个图显示了每个试样的壁面距离与沿血管长度的关系，红点是每个Micro CT切片的中值，绿点是平均值。灰色阴影区域表示沿血管长度上每个切片的25 % -75 %四分位范围。最下面的图展示了血块形成和沿血管长度的关系，计算定义为血块的像素数与每个血管内腔定义的像素总数。 在贴壁不良的支架中，最大错位（真实的异质性模型）范围从 0.27 mm 到 0.64 mm，发现血栓形成在支架支柱之间，而不是直接地贴近支柱。 图：相位滞后表明支柱上没有血块，而是分散在支柱之间 这项早期工作展示了如何使用实验方法和先进的图像分析更深入地了解出现的血块形成数量以及空间位置。这种方法可以更详细地研究在实验设置的血块形成中支架设计和部署的相互作用。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/thrombosis-formation.htmlBrown, J, […]