本文原刊登于Ansys.com：《Using In Silico Oncology to Defeat Pediatric Cancer》

作者：Thierry Marchal | Ansys醫療解決方案項目總監兼醫療行業首席技術專家

編輯整理：鄭偉巍 | Ansys高級應用工程師

我們正在創建的模型，可幫助腫瘤學家決定最適合個體患者的治療策略。”

—— María ángeles Pérez Ansón博士

在María ángeles Pérez Ansón博士的設想中，未來的世界將不再有癌癥，而她將仿真視為實現這一愿景的關鍵。如果腫瘤學家可通過針對個體患者的癌癥腫瘤數字模型進行精確的治療仿真，醫生即可快速選擇最佳治療方案，并減輕患者壓力。

20多年來，Pérez一直從事人體仿真研究。她于2004年發表了論文《Simulation of Cement Deterioration and Interfaces Debonding in Cemented Hip Implants（骨水泥固定髖關節植入物中骨水泥退化與界面脫粘的仿真）》，以此取得了薩拉戈薩大學的博士學位，并且獲得了“年度最佳技術論文”獎。

Pérez現任薩拉戈薩大學機械工程系結構力學教授。作為該校阿拉貢工程研究所機械與生物工程多尺度（M2BE）研究團隊的一員，她持續活躍在仿真技術的最前沿。

M2BE的成員均是計算建模、材料強度和結構力學方面的專家。Pérez和她的團隊沒有選擇將建筑或航空航天工程等領域作為研究方向，而是致力于探索復雜的生物過程及癌癥機械生物學。他們的目標是通過推動組織工程、計算機輔助診斷和個體患者建模技術的發展，來改善醫療行業。

最后，他們希望這些努力將有助于構建基于云的平臺，這不僅可協助制定癌癥管理決策，還可改進管理治療或手術干預的計劃。

兩種可怕的“敵人”

Pérez的工作與PRIMAGE項目密切相關。PRIMAGE代表預測性計算機仿真多尺度分析，可通過成像生物標志物來支持癌癥個性化診斷和預后（PRIMAGE：PRedictive，In-silico，Multiscale，Analytics，diaGnosis，Empowerered）。

該項目由歐盟委員會資助，旨在找到將計算機建模與仿真（CM&S）或計算機仿真醫學應用于傳統醫學成像的方法，以評估并治療兒童癌癥，特別是兩種罕見但死亡率較高的癌癥：神經母細胞瘤以及彌漫性內生性腦橋膠質瘤（DIPG）。

DIPG是一種發生在腦橋的腦腫瘤，腦橋是腦干的一部分，控制著身體的大部分無意識的重要功能，如呼吸、血壓、心率和睡眠周期等。每年，每10萬名兒童中有一到兩名被診斷出患有DIPG，不幸的是，該病的死亡率極高。平均而言，90%的DIPG患者會在確診后的兩年內死亡。

神經母細胞瘤是Pérez在PRIMAGE項目中與M2BE團隊合作研究的重點，這是一種可以發生在人體內任何部位的實體腫瘤。神經母細胞瘤雖然罕見，卻是5歲以下兒童患有的最常見的實體癌。總體而言，高危病例的五年生存率為50%。

對于這兩種類型的癌癥，研究人員都想在具體實施之前了解治療的效果。通過更有針對性的治療方法，醫生可以規避過度治療的風險以及可能由此引起的健康并發癥。M2BE團隊在仿真方面的工作，可能最終能為癌癥研究人員提供這種關鍵能力。

Pérez解釋道：“我們正在嘗試再現真實的生理現象，了解治療如何影響或改變腫瘤的行為。我們正在創建的模型，可幫助腫瘤學家決定最適合個體患者的治療策略。”

打造數字優勢

為了構建神經母細胞瘤的數字模型，M2BE團隊借鑒了他們之前對骨骼和細胞的研究。

此前，該團隊成功地模擬了人體骨骼對機械載荷的反應，并用仿真演示了骨骼組織如何在骨折后愈合。他們通過涉及微流體和細胞培養的體外實驗室工作驗證了他們的模型。該團隊將從這一經驗中獲得的技術應用于多尺度計算模型的開發，這些模型可以對腫瘤在治療后的生長和腫瘤退縮進行預測和仿真。

Ansys產品的仿真功能對于M2BE團隊在薩拉戈薩大學開展的研究和實驗至關重要。“我們的分析極其復雜，而Ansys軟件則可實現高水平的定制與控制。”

M2BE團隊利用Ansys Mechanical APDL和Ansys Workbench的功能，從神經母細胞瘤掃描中提取現有的核磁共振成像（MRI）數據，并將其轉換為數字模型的基礎。

不同的MRI序列可提供身體和腫瘤生理學的詳細視圖。T2加權圖像（T2w）顯示了器官或腫瘤的幾何結構。動態對比增強（DCE）成像可提供有關器官血管化的詳細信息，而彌散加權成像（DWI）則可提供腫瘤細胞結構的洞察。在掌握了實驗對象的這些細節后，該團隊開始為他們的模型提供有效的有限元（FE）網格信息。

通過堆疊腫瘤的T2w-MRI切片，該團隊為模型構建了基礎點云，然后將其轉換為.STL文件（與3D打印中使用的文件類型相同），從而實現了3D體積網格劃分。

為了改善網格基礎并防止潛在的收斂問題，該團隊接下來對模型的幾何結構進行了平滑處理。隨后，他們整合了有關腫瘤血管和細胞結構的臨床數據，這些數據提供了腫瘤內部血管的路線圖和逐個細胞生長的藍圖。

因此，團隊可創建個體患者的物質擴散模型，或更全面的腫瘤模型，反映腫瘤的內部構造和流體通過腫瘤的方式。

最后，團隊開發了個體患者腫瘤的機械模型以及控制其FE網格的公式。該模型可以對腫瘤生長過程中出現的細胞活動/過程進行仿真，也可以對氧氣和營養物質的供應或化療藥物的引入做出響應。這些進展，使該團隊能夠對具體藥物的影響或藥物缺失的影響進行仿真。

在將其模型應用于臨床病例時，團隊的預測結果（源于對個體患者機械模型腫瘤生長和縮小的仿真）與實際治療后的結果一致，實現了約90%的準確度。這一可喜的初始結果，確保了多尺度計算建模在癌癥研究領域的有效性，并為該領域的進一步發展奠定了基礎。

邁向癌癥研究的新時代

Pérez坦言，這些模型即便只能為1%的癌癥病例提供幫助，也將是一項驚人的成就，而且該團隊現已取得的發展十分重要，這一點毋庸置疑。

M2BE團隊通過制定創建神經母細胞瘤數字模型的方案，為其他研究人員對各種類型的癌癥進行同樣的研究打開了大門。與此同時，數字工程軟件的進步正在將這一切變為可能，一個基于云的全球性知識庫似乎正在成為現實。突然之間，一個沒有癌癥的未來，似乎也并非遙不可及的構想了。

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相關背景

María ángeles Pérez Ansón博士參與機械和生物工程多尺度（M2BE）研究團隊的工作與Avicenna聯盟和PRIMAGE項目有關，而這兩個項目與Ansys密切相關。作為創始成員，Ansys在Avicenna聯盟中發揮著至關重要的作用。Avicenna聯盟是一家總部位于布魯塞爾的全球性非營利組織，致力于通過計算機建模與仿真來改善醫療行業。該聯盟專注于計算機仿真醫學的開發、監管和廣泛應用。除了薩拉戈薩大學以外，Ansys也是PRIMAGE項目的技術合作伙伴，該項目是Pérez的研究所支持的主要工作。