心臟
關注創建者：C乘風破浪 創建時間：2022-12-30
心臟的實例教程
全世界有數百萬人體內裝有心臟起搏器，并且每年仍有數十萬人正在植入起搏器。建模和仿真可以幫助科學家和工程師更好地理解和優化起搏器設計。在這篇文章中，我們討論了使用 COMSOL 軟件模擬起搏器電極周圍的電流分布。
起搏器及其電極
人類心臟由四個部分組成：兩個心室和兩個心房。來自身體的血液通過右心房進入心臟，并被泵入右心室。右心室將血液泵入肺部，這樣血液就會充氧。然后，新的含氧血液進入左心房并被泵入左心室。左心室是最強大的腔室，它負責將血液泵送到整個身體。
圖中顯示了在沒有起搏器的情況下通過心臟的血流方向。圖片由BruceBlaus提供。通過 Wikimedia Commons獲得許可（CC BY-SA 2.5）。
然而，有時心臟并沒有按應有的方式跳動。心臟起搏器通過監測心臟的自然電信號并在檢測到異常時發出電脈沖來維持人的心率。它們通常用于治療心動過緩。心動過緩通常由于年齡、心臟病和身體的生理電信號無法正確到達心臟而逐漸形成。極低的心率會導致死亡，因此起搏器是一種極其重要的救生醫療設備。
起搏器有兩種不同的用途。一些起搏器是“按需起搏器”；也就是說，當檢測到問題時，它們會根據需要提供電脈沖。還有一些起搏器具有“頻率反應”功能，這意味著它們還可以測量呼吸頻率、血液溫度等，以確定患者的活動水平，確保心臟正常跳動。
起搏器的脈沖發生器包含用于供電的電池和用于確定何時發出脈沖的電路。電線將發生器連接到心臟的各個部位。電極位于電線的末端。
起搏器包含 1~3 根電線。單線起搏器通常連接到右心室，雙線起搏器通常連接到右心室和心房，三線起搏器（“雙心室”起搏器）連接到一個心房和兩個心室。
具有兩對電極的心臟示意圖，每一對電極由一個球形工作電極和一個環形對電極組成（見下圖）。
展開 麻省理工學院3D打印心臟，外觀和行為“宛若真品”
南極熊導讀：人類的科學技術在過去的幾個世紀里取得了長足的進步，不可否認的是，我們看到增長最快的一個領域是醫療。考慮到沒有什么比面臨嚴重健康問題的前景更可怕，這也許不足為奇。它也是總體上最具創新性的行業之一，總是尋求采用新技術，當然包括增材制造。
2023年2月，南極熊獲悉，麻省理工學院的工程師們成功打造了一顆3D打印的機器人心臟，它可以完美復制患者的心臟，從外觀到心跳，都能更有效地治療心臟病。
心臟問題是全世界最主要的致死原因之一。事實上，根據統計，每年約有 647,000 名美國人死于心臟病，這意味著每4人中就有1人死于心臟病。CDC甚至指出它是美國的頭號死因。此外，數據顯示這一數字只增不減，一項研究表明，在大流行期間，所有年齡組的心臟病死亡率都發生了急劇變化。因此，尋找治療心臟病的方法是許多醫學界的首要任務。在這里，3D 打印尤其可以在幫助為每位患者量身定制治療方面發揮關鍵作用。
△3D打印的心臟復制品
更逼真的 3D 打印心臟復制品
這個特殊的項目是由麻省理工學院研究人員主導，包括 Luca Rosalia、Caglar Ozturk、Debkalpa Goswami、Jean Bonnemain、Sophie Wang 和 Ellen Roche，以及麻省總醫院的 Benjamin Bonner、哈佛大學的 James Weaver 和 Christopher Nguyen，俄亥俄州克利夫蘭診所的 Rishi Puri 和 Samir Kapadia。他們的目標是制造一個機器人心臟，它是一個柔軟而靈活的患者復制品，以幫助治療不同的心臟疾病，包括尋找更合適的植入物或開發最佳功能并適合主動脈中的合成瓣膜。
展開 人的心臟一天中約跳動 10 萬次。伴隨著每一次跳動，心臟中的四個瓣膜都會完全張開，再緊緊合上，通過心腔單向輸送血液。基于建模的心臟瓣膜性能研究有助于醫學研究人員找到多種心臟疾病的治療方法。來自 Veryst Engineering 的團隊使用 COMSOL Multiphysics? 軟件對心臟瓣膜的開合進行了模擬。
仿真助力推動心臟瓣膜研究
人體心臟中的四個瓣膜柔韌而靈活，它們可以完全張開，等待血液沿單向流出心臟后，再緊緊閉合，封閉心腔，防止血液回流。若患上心臟瓣膜病，瓣膜就不能正常工作，進而導致嚴重的心臟健康問題。因此，研究心臟瓣膜是一個備受關注的研究領域。
心臟的示意圖。圖片由 Wapcaplet 提供。在 CC BY-SA 3.0許可下使用，通過 Wikimedia Commons分享。
心臟瓣膜研究的最新進展是世界上最小的機械心臟瓣膜獲批。這是一項了不起的成就，畢竟僅在美國，每年就有超過 35,000 名嬰兒剛出生時就患有先天性心臟缺陷。這種天生缺陷讓一部分新生兒患上心臟瓣膜功能障礙，不得不接受手術修復。
當然，最小瓣膜的發明與獲批只是心臟瓣膜研究的突破創新之一。這個領域同樣吸引了Veryst Engineering 團隊的關注，這家 COMSOL 認證顧問機構曾與客戶就類似的現實問題進行過合作。在進一步推進心臟瓣膜研究的過程中，該團隊受啟發創建了心臟瓣膜的示例模型。此模型可以作為寶貴的設計工具，為醫學研究人員提供重要信息。
在 COMSOL Multiphysics? 中模擬心臟瓣膜的開合
如你所料，人體心臟瓣膜的建模不僅困難，計算成本也很高。首先，該問題涉及流-固強耦合（fluid-structure interaction，簡稱 FSI），也就是說需要模擬移動及變形結構與流動流體之間的相互作用。
展開 由于心臟結構和功能的復雜性，目前只能局限于打印一些簡單的結構。現階段基于超聲的3D打印技術仍存在以下局限性：①三維超聲的分辨率仍有待提高，以便顯示心臟更細微的結構；②心臟及其內部結構是動態的，而目前打印出的模型都是靜態的；③目前打印心臟的材料大部分為硬質材料，不能精確地反映心肌組織的柔軟度；④國內外缺乏大樣本臨床試驗證明其臨床可用性及安全性。
綜上所述，三維超聲可以為3D打印左心耳、心臟瓣膜及先天性心臟病提供數據源，基于超聲數據的3D打印模型不僅可以實現模擬治療，還可以輔助醫患溝通和醫學教育，其在心血管領域的進一步應用潛能尚有待開發。
來源：臨床超聲醫學雜志
展開 德國海德堡大學醫院(Heidelberg University Hospital)的心臟病專家梅德(Meder)正在測試西門子Healthineers的數字心臟軟件。
“我們能夠提前幾周或幾個月預測哪些病人會生病，某個病人對某種療法會有什么反應，哪些病人會受益最大。這能徹底改變醫學”。
為此，西門子Healthineers建立了一個龐大的數據庫，其中包括2.5億多張帶注釋的圖像、報告和操作數據，用于訓練其新算法。
在這個數字雙胞胎模型的例子中，人工智能系統被訓練成將電子、物理特性以及心臟結構的數據搭建成三維圖像。
開發該軟件的西門子Healthineers高級研發總監托馬索?曼西(Tommaso Mansi)表示，主要挑戰之一是隱藏其復雜性，并創建易于使用的界面。
為了測試這項技術，Meder的團隊在6年的試驗中創造了100對患有心力衰竭的數字心臟雙胞胎。
計算機根據數字雙胞胎進行預測，然后將其與實際結果進行比較。
他的團隊希望在2018年底完成對預測的評估。
如果測試結果令人滿意，該系統將在一個更大的、多中心的試驗中進行測試，作為讓該軟件獲得監管機構批準用于商業用途的下一步舉措。
西門子醫療公司(Siemens Healthineers)拒絕透露這項技術何時最終可能被診所使用，也拒絕透露其數字心臟或其他器官模型(如肺和肝)的具體商業化進程。
通用電氣(GE)和飛利浦(Philips)也在研發數碼心臟雙胞胎產品，非傳統的運營商也在積極行動。
飛利浦公司(Philips)銷售的人工智能心臟模型可以將2D超聲圖像轉化為數據，幫助醫生診斷問題，或自動分析掃描結果，幫助醫生制定手術計劃。
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心臟的最新內容
工業仿真這幾年有個很明顯的趨勢：大家都在談“AI仿真”。不管是流體、結構還是電磁領域，只要能把計算時間從小時級壓到秒級甚至毫秒級，似乎都可以被歸到這一類里。
但如果仔細看，會發現一個經常被忽略的問題——這些所謂的“快”，其實來自兩種完全不同的技術路徑。它們看起來結果相似，但底層邏輯、適用場景，甚至服務的工程階段，都不一樣。
一、要理解這一點，得先回到仿真本身
4.【2025年行業最佳實踐獎】居佳怡 | 復旦大學，K-Clip治療三尖瓣反流的數值仿真研究：數量與植入位置的影響分析：利用Ansys LS-DYNA和Fluent進行心臟瓣膜領域的有限元仿真，模擬術前狀態及3種植入策略，是Ansys在醫療健康領域的最佳應用示范。
水壓交變與內膽耐久測試設備：筑牢核心承壓安全
內膽是熱水器的 “心臟”，長期承受水壓交變、高溫水腐蝕，一旦開裂漏水，后果嚴重。沃華慧通水壓交變測試系統，可模擬 0.1-1.2MPa 交變水壓，頻率 0.1-1Hz，持續進行數萬次循環測試，復刻用戶日常用水的水壓波動場景。
https://img.jishulink.com/202604/imgs/fcb542aa350441fdb96bf4de47a1c3d7"></p><p class="ql-align-center"><strong>張少杰 | Ansys高級應用工程師</strong></p><p>2015年畢業于華東理工大學固體力學專業，其后在相關CAE咨詢公司從事LS-DYNA技術支持及工程項目咨詢服務，并在心臟相關醫療器械領域有
在此基礎上，PyAnsys-Heart 作為連接影像數據與多物理場心臟仿真的關鍵工具，對輸入的實體網格進行進一步“補全”和增強，自動構建包含心肌力學行為與電生理耦合特性等的患者特異性 LS-DYNA 心臟模型。該過程完顯著減少了人工干預，使復雜心臟結構和功能建模具備可重復性與可擴展性。
</p><p><br></p><p class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/202604/imgs/07487c0b77d642fc822a36d1878f491c" alt="圖片"></p><p><br></p><p><br></p><h2><strong>壓電晶體：傳感器的「心臟」</strong></h2><p>
圖1 三維參數化心臟模型
二、子任務細分
a) 心臟幾何建模與參數化運動
目標：構建含時間參數化收縮的心臟模型，實現隨時間變化的生理形態模擬。
步驟：在 COMSOL 中定義變量 L0, f, Lt 控制心臟收縮；使用拉伸 + 橢球構建心臟主體；添加24個電極柱體，進行鏡像與移動；實現形變表達式 Lt = L0*(1 - 0.1*sin(2*pi*f*time))。
微型高壓比例閥應如何設計？2個月前
創新的閥芯與閥座結構
閥芯是比例閥的心臟，在微型高壓設計中，諾冠傾向于采用零重疊（Zero Lap）或負重疊設計，以消除死區，提高線性度，同時為了抵抗高壓帶來的液動力，閥芯形狀需經過精密的CFD（計算流體動力學）仿真優化，利用流體動力學原理抵消部分開啟力，從而降低電磁鐵的驅動功率需求，閥座材料通常選用硬質合金或特種陶瓷，以確保在數百萬次循環后仍能保持零泄漏。
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功率半導體作為電能轉換與調控的“核心心臟”，受益于新能源革命的深入推進，市場前景廣闊。IGBT以及碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導體器件已成為全球技術競爭的焦點，國內產業鏈上下游正加速協同攻關，生態效應逐步顯現。
連接器與傳感器領域，隨著物聯網全面普及和汽車電子化程度不斷提升，市場規模持續增長。
肺形體模：依據CT結構設定器官電導率（脂肪0.30 S/m、心臟0.50 S/m、主動脈0.60 S/m、脊柱0.09 S/m、充氣肺0.15 S/m），隨機移除肺區模擬損傷（0.165–0.285 S/m），加性白噪SNR=65 dB；訓練9,100，測試1,000。
實測數據： UEF2017、KTC2023公共數據以及圓域/胸型外形的外推驗證。
