一、背景介紹

冠狀動脈是供給心臟血液的動脈，起于主動脈根部主動脈竇內，分左右兩支，行于心臟表面。冠狀動脈粥樣硬化性心臟病，簡稱冠心病，也叫缺血性心臟病，會直接引起穩定型心絞痛、非穩定型心絞痛、心肌梗死或者心臟驟停，嚴重者會導致死亡。動脈粥樣硬化會使得血管變得僵硬，并產生斑塊，進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《中國衛生健康統計年鑒》的數據，近年來我國每年因冠心病死亡的人數超過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、經皮介入治療和冠狀動脈搭橋術。其中，冠脈搭橋術是治療嚴重冠心病（主要指左冠狀動脈主干狹窄、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，可恢復相應的心肌供血，使嚴重冠心病患者獲得生機。因此，冠狀動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

血流動力學環境與動脈粥樣硬化的分布密切相關。異常血流動力學現象常出現在人體特定的部位之外，最常出現的區域就是心腦血管手術部位，這會直接影響手術的長期有效性。當前冠狀動脈搭橋手術以臨床經驗為主導，手術長期效果的優劣取決于臨床醫師水平，因而臨床迫切需要一種虛擬仿真系統來幫助醫生對不同手術方案進行對比，選擇更優的手術方案，從而達到最佳治療效果。

二、醫學仿真解決方案

目前，流體仿真技術在心血管醫療領域的應用門檻較高，主要原因在于醫療與工程的交叉應用需要復合背景知識的融會貫通。為了降低醫療或工程人員的專業技術門檻，使其可以“自主可控”地改進搭橋手術規劃方案，并助力心外科醫生的手術經驗培養，本方案采用自主通用的多物理場仿真PaaS平臺Simdroid軟件進行血流動力學仿真，并無代碼化封裝冠狀動脈搭橋手術虛擬仿真APP，供醫療工作者參考使用。

冠狀動脈搭橋手術虛擬仿真就是針對擬實行搭橋手術的冠心病患者，從血流動力學的角度優化搭橋手術方案，以期獲得最佳的手術效果。其基本思路是導入患者心血管模型，設置擬行搭橋手術的橋血管位置參數，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行融合以構建不同手術方式的術后模型，再輸入患者的生理參數和邊界條件參數，進行流體仿真計算，就可以得到虛擬搭橋手術術后的血流動力學情況。

1、醫學模型建立

選用患者冠狀動脈+主動脈增強CT影像數據，通過圖像分割、建模以及模型優化，獲得患者可用于仿真計算的冠狀動脈及主動脈模型，如下圖所示。

圖3 從DICOM數據到醫學模型的建立

2、參數定義

本案例針對存在右冠狀動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脈不同位置的血流動力學情況，進而實現冠狀動脈搭橋的血流動力學手術規劃目的。因此，參數主要包括橋血管的位置參數、血液材料參數、生理參數、求解設置參數等。

圖4 Simdroid定義參數界面

3、構建完整計算模型

利用Simdroid的2D草圖創建以及三維建模功能，以建立的患者醫學模型為基準，構建從右冠狀動脈狹窄遠端至升主動脈的橋血管幾何模型，將橋血管的相對位置與角度參數化，便于后續靈活調節橋血管相對患者心血管的位置。將建立的橋血管模型與醫學模型進行并集融合，形成一個完整的模型。

圖5 患者醫學模型上建立橋血管

4、網格劃分

Simdroid具備多種網格劃分功能。此處可參數化設置最大網格尺寸，用于控制計算精度，并采用四面體網格類型進行剖分，可將整個模型離散化，用于后續的求解計算。

圖6 Simdroid網格剖分模型

5、求解設置

求解設置主要包括材料屬性、生理參數、邊界條件、并行計算、迭代步數等參數的設置。在此，本案例將血液材料屬性簡化為牛頓流體，設置穩態單相層流進行求解。通過文獻查閱，設置血液黏度為0.0035Pa*s、血液密度為1060 kg/m3。

Simdoid支持多種出入口邊界條件設置，包括速度入口、壓力入口、壓力出口、自由流等。此處邊界條件設置主要借用生理參數計算得來。其中，入口條件設置為主動脈壓力，此參數可通過測量患者血壓計算得來；出口條件設置為質量流量，可以通過患者的每搏輸出量、心率、各出口血流分配系數計算得來。

圖7 Simdroid求解設置邊界條件

Simdroid可以設置并行計算核算，用于加速計算，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，通過監控殘差曲線，可以查看求解收斂情況。

6、結果后處理

Simdroid有強大的結果后處理顯示功能。本案例中，主要通過云圖查看血管內的血流分布、壓力分布和壁面剪切力分布，也可以通過流線圖、矢量圖、切片圖表達計算結果情況。

圖8 計算結果-速度流線圖

圖9 計算結果-速度矢量圖

圖10 計算結果-壓力云圖

圖11 計算結果-壁面剪切力云圖

7、仿真流程封裝

在虛擬手術規劃過程中，通常需要靈活調整橋血管吻合位置，以便獲得不同規劃方案。通過比較不同手術方式的血流動力學差異，可避免危險性血流動力學因素，進而輔助臨床進行手術決策，起到優化手術效果的目的。

通常，仿真全流程的操作設置過程比較復雜，需要專業的仿真工程師依次設置相關參數，耗時費力。Simdroid可將仿真流程進行封裝，保留關鍵的參數設置、菜單及按鈕設置，可以簡化用戶對參數的調整過程。當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開發器功能封裝仿真流程

工程師通過Simdroid完成仿真以及APP開發器封裝仿真流程，可形成冠狀動脈搭橋虛擬手術規劃仿真APP。用戶在本地裝有Simdroid平臺軟件的電腦上，可打開本APP，通過設置橋血管位置參數、生理參數等后進行求解計算，即可實現手術方案的調整。

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行輕量化打包，形成*.exe格式的文件，該可執行文件可以脫離Simdroid平臺在任意電腦端獨立使用，用戶無需安裝Simdroid軟件（此類應用方式，已有知名心外科醫院采用）。

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還可以上傳到工業仿真APP商店Simapps平臺，云原生部署與在線應用。用戶可以零門檻低成本、跨平臺跨終端隨時隨地云平臺用仿真。歡迎在線體驗本案例仿真APP，可點擊鏈接：https://www.simapps.com/v2/engineering-app/all/211302

三、關于Simdroid

Simdroid（中文名“伏圖”）是云道智造自主研發的通用多物理場仿真PaaS平臺，具備自主可控的隱式結構、顯式動力學、流體、熱、低頻電磁、高頻電磁、多體動力學等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統一友好的環境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。同時，作為仿真PaaS平臺，其內置的APP開發器支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗轉化為可復用的仿真APP。歡迎使用Simdroid平臺開發（定制）屬于您自己的仿真APP：https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid