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 […]

分析冠状动脉支架血栓形成【Simpleware应用】

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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, […]

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 […]

用于模拟起搏器性能的躯干模型

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概述 MicroPort 是一家在全球范围内为患者开发救生医疗产品的公司。MicroPort 也是专业生产治疗心律紊乱和心力衰竭的心律管理设备(CRM)制造商。该公司使用 Synopsys 的Simpleware 软件对复杂的起搏器几何结构进行建模,以便更好地理解患者心动过缓和心动过速等情况的治疗方法。MicroPort通常要对研发设备进行既昂贵又耗时的动物测试,在试图减少错误时承担着重大的伦理风险。而基于图像的有限元仿真提供的另一种测试方法,能够减少对动物测试的依赖,降低设备故障风险,并且没有与动物测试类似的伦理风险。 亮点 使用人体模型的仿真减少动物试验需求仿真过程快速、高效、成本低Simpleware 软件可在网格划分前修复模型Simpleware 软件的模型为仿真提供了直接路线 处理躯干模型 MicroPort 由 IT’IS 基金会和美国食品药品监督管理局提供的数据集开发出逼真的几何结构,从而开始了他们的模拟过程。利用 Simpleware 软件先对原始 STL 文件进行处理,分割出用于仿真的感兴趣的区域。Simpleware 软件的易用性允许其对单个部位三角剖分错误(如孔洞、顶点到顶点的连接和非流形边)进行修复。在 Simpleware 软件中进行的处理操作能够使 STL 数据更适合网格划分和仿真。 图:在Simpleware软件中对原始几何结构进行处理,为仿真准备网格 创建稳健的FE模型 对图像数据分割后,在 Simpleware 软件中导出用于仿真的模型:用于 COMSOL Multiphysics 的体积网格和可用于几何结构编辑和重新划分网格的 NURBS IGES 文件。Simpleware 的网格可以保证严密性、光滑且精准的几何结构以及无缝隙的正确拓扑结构。这种高质量的网格划分水平使 COMSOL Multiphysics 中的网格能够为电磁(EM)仿真做好充分的准备。 图:Simpleware 软件为 COMSOL Multiphysics 导出稳健的模型 生成人体心脏模型 为了改进仿真细节,需要使用 Simpleware 软件处理从单独的数据集中创建的心脏模型。主要任务是在原始心脏模型中添加腔室,并使用图像处理工具从图像数据中去除不必要的细节。Simpleware 软件可以将腔室的分割和模型外表面向实体的封闭以单独的 NURBS 文件形式导出至 COMSOL。 图:将 NURBS […]

经颅直流电刺激治疗脑卒中

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概述 经颅直流电刺激(tDCS)作为一种向大脑传递微弱直流电的神经调节技术,可用于治疗脑损伤、脑卒中等神经系统疾病。Soterix Medical 公司和纽约市立学院(CCNY)的研究人员使用 Simpleware 软件为神经系统疾病研发通过 tDCS 这种神经调节技术实现的解决方案。对于 tDCS,了解电流的流动区域、如何优化电极放置以设计治疗方案,以及回顾性分析临床结果都至关重要。  亮点 Simpleware 软件对头部和脑部 MRI 数据进行分割和网格化 COMSOL Multiphysics 中的模拟结果揭示了 tDCS 的效果 此工作是探索 Soterix Medical 公司的 HD-tDCS™ 方案对脑卒中治疗的益处 简介 Soterix Medical 团队采用独特的高清 tDCS(HD-tDCS™)方法,提供与标准 tDCS 相同的电流,但使用更小的或多电极与优化算法和流动模型进行定位和优化治疗。从 CCNY 的早期研究到 Soterix Medical 正在进行的临床试验和设备优化,在近15年为改善和降低患者风险的长期目标的研究过程中,Simpleware 软件已经成为必不可少的一部分。 图像处理和网格生成 Soterix Medical 的工作流程通常是从健康人体头部的磁共振成像(MRI)扫描开始,使用 MATLAB 和 SPM 软件自动分割皮肤、骨骼、脑脊液(CSF)和灰质。然后将生成的文件导入到 Simpleware ScanIP 中进行原始分割的校正。 研究人员面临的常见挑战之一就是使用 3D 编辑将图像数据中不需要的特征删除。这种清理工作非常耗时,但在 Simpleware 软件中利用掩模统计工具对连接区域进行批量分类整理并去除不必要的数据即可解决。在 Simpleware […]