心臟的案例
在 COMSOL 中模擬心臟起搏器
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 哈佛大學3D打印合成心臟瓣膜，可伴隨兒童一起生長，減少手術次數
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 重獲“心”生——使用 COMSOL 軟件模擬心臟瓣膜開合
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 于超聲數據的3D打印技術在心臟領域的應用進展
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 
西門子開發鏡像數字心臟軟件 各大科技巨頭搶灘醫療AI市場
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。
展開 基于 COMSOL-MATLAB 聯合仿真的參數化三維心臟電阻抗成像模型
為實現更貼近生理狀態的心臟動態仿真，本研究構建了一個可參數化的三維心臟模型，并通過 COMSOL Multiphysics 與 MATLAB 平臺聯合實現仿真。模型在心臟表面布置了24個電極，支持多組電流激勵與電壓采集；同時，通過正弦函數表達式實現對心臟收縮周期的模擬。借助 COMSOL API 與 MATLAB 腳本，完成了24組電流注入下的電場、電壓與電流密度仿真計算。進一步，提取了電場各方向分量并構建了靈敏度矩陣（Jacobian matrix），為后續電導率反演與圖像重建提供基礎。該平臺可用于動態心臟 EIT 正問題研究，并支持圖像反演算法訓練及病變模擬拓展。
關鍵詞：電阻抗成像；心臟模型；三維參數化；COMSOL；MATLAB；靈敏度矩陣；電極仿真；電導率重建
一、任務描述
本任務旨在構建一個三維參數化心臟模型，基于 COMSOL Multiphysics 與 MATLAB 聯合仿真平臺，進行24電極電阻抗掃描，實現電導率圖像重建和電流密度場可視化，為心臟功能建模與EIT成像研究提供高精度模擬平臺，如圖1所示。
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))。
實現方式：基于 COMSOL 腳本語言，通過 WorkPlane 與 Extrude 函數構建二維截面，并依賴 Ellipsoid 與 Cylinder 構建結構細節。
展開 基于計算流體動力學仿真的離心式人工心臟泵葉片參數優化
基于計算流體動力學仿真的離心式人工心臟泵葉片參數優化[J].工具技術,2021,55(10):51-57.
Liu Zehui，Zhang Song，Qu Yifei. Blade Parameter Optimization of Centrifugal Artificial Heart Pump Based on Computational Fluid Dynamics Simulation，Tool Engineering, 2021,55(10):51-57.
1 引言
心力衰竭（Heart Failure，HF）是心臟疾病發展的終末階段，傳統藥物及電生理治療對終末期心衰療效不理想，而心臟移植被認為是最有效的治療方法之一。由于心臟供體的數量有限，無法滿足臨床需求，越來越多的學者把研究重點轉向以人工心臟泵為代表的機械循環輔助治療。根據治療目的，可以將人工心臟泵用于恢復期治療、移植過渡期治療和替代心臟移植的終點治療。
根據人工心臟裝置的驅動方式、血流形式以及工作原理，可以把人工心臟泵的發展分成三個階段：第一代的氣動式容積泵、第二代的軸流泵以及第三代的磁/磁液懸浮式離心泵，并且人工心臟泵逐漸向體積小、質量輕、溶血性能好、性能穩定的方向發展，但溶血與血栓等問題依然存在。衡量人工心臟泵性能的一個重要指標就是溶血性能，因此越來越多的學者探究不同結構人工心臟泵的溶血性能差異。
Kadir M.R.A.等對人工心臟泵的葉片高度和葉片與上蓋板的間隙兩個設計參數進行了研究，通過仿真表明，較大的葉片高度和較小的間隙會產生較高的溶血指數值，且與葉片高度相比，間隙對溶血有更明顯的影響。
展開 蘇黎世科學家使用嵌入式磁鐵3D打印人造心臟泵
他通過3D打印人工心臟泵原型展示了他的方法，稱為“嵌入式磁體打印”，并獲得了美國人工內臟器官協會（ASAIO）的原型設計一等獎。
△原型的橫截面，深灰色的磁性元件清晰可見
Petersdorff-Campen說：“我的目標不是制造出良好的心臟泵，而是要展示如何在一步中將其制造出來。”
人工心臟泵不僅是幾何形狀復雜的產品，更重要的是，它們含有磁鐵 - 而且在使用磁鐵進行3D打印的領域，研究仍處于起步階段。因此，Petersdorff-Campen的心臟泵是首批使用3D打印制造磁性元件的原型之一。
這位26歲的博士生今年春天開發了原型。 Petersdorff-Campen稱他新開發的方法是“嵌入式磁鐵打印”。關鍵是要確保磁鐵直接在塑料中3D打印。磁粉和塑料在打印前混合并加工成稱為線材。使用FDM技術，這些線材通過噴嘴打印出來，自動打印出計算機生成的形狀。然后將打印的成品在外部磁場中磁化。塑料心臟泵原型總共花了15個小時進行打印。
最大的困難之一是線材的研發：添加到顆粒混合物中的磁性粉末越多，磁體越強，但這會導致最終產品更脆。 “我們對各種塑料和混合物進行了測試，直到線材具有足夠的柔韌性以進打印，同時仍具有足夠的磁力，”Petersdorff-Campen說。
Petersdorff-Campen在一本學術期刊上發表了他的著作。反應各不相同，他解釋說：“有些人已經在詢問他們可以在哪里訂購材料。”有人批評3D打印不適合生產醫療設備，因為他們必須經歷各種審批程序。 “不過，這不是我的重點，”Petersdorff-Campen強調說。 “我只是想表明這個原理。”他確信科學家和開發人員值得進一步發展。
展開 LS-Dyna ICFD不可壓縮流心臟瓣膜模擬 ￥199
LS-DYNA ICFD 心臟瓣膜模擬
3.1模型介紹
本血流動力學實例突出了 ICFD 求解器的最強 FSI 能力。由于壓力差，心臟瓣膜小葉打開以允 許血液流動。然后，強烈的反壓迫使它們再次關閉，血流量減少。本案列中對于瓣膜和血管壁均采用超彈性材料模型，難點在于當瓣膜在壓力驅動下張開時，會帶動流體網格產生較大的變形，通常為避免網格拉扯出現負體積，一般結合動網格，例如Comsol動網格。但即便如此，仍會存在無法繼續計算的問題，下圖6展示為Comsol拉普拉斯動網格模型，并當網格質量較差時，打開網格重新劃分，但是即使這樣，當變形較大時，計算仍然停止了，上文介紹的ICFD網格自適應技術能夠很好的彌補這點缺陷。
注：Comsol依然強大，只是本人找不到合適的方法，在此沒有說明Comsol軟件能力弱
圖 6 Comsol動網格及網格重新劃分心臟瓣膜模擬
3.2模擬結果展示
圖 7 心臟瓣膜網格自動剖分展示
圖 8 心臟瓣膜仿真流場壓力展示
圖 9 心臟瓣膜打開模擬
展開 《自然·通訊》 兒茶酚功能化肟交聯PEG 水凝膠預防術后心臟粘連
圖
5：
在大鼠手術模型中應用 4 周后，粘連形成減少并保持心臟功能。
圖
6：
大鼠模型中 Ald-AO-Cat 的組織學。
圖
7：
噴霧裝置設計、測試和在豬試驗中的應用。
總結
團隊已經提供了解決術后心臟粘連問題的潛在解決方案的證據。
當嘗試使用應用于心臟表面的物理屏障來解決這種情況時，除了在體外和體內環境中使用時的行為外，還必須考慮所提議的水凝膠的固有特性。
團隊
證明了 Ald-AO-Cat水凝膠具有非常適合胸腔內條件的機械特性和降解動力學。該材料還表現出較低的溶脹度，超過了現有產品的性能。
這種生物相容性 Ald-AO-Cat水凝膠防止粘連形成的能力通過減少體內手術后粘連的發生來證明
。試驗豬心臟抗粘連數據支持進一步研究這種水凝膠裝置的劑量和功效，以用于未來潛在的臨
床轉化。
參考文獻
：
doi.org/10.1038/s41467-021-24104-w
版權聲明：
「
高分子材料科學
」旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。編輯水平有限
，
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展開 基于SolidWorks的機械人工心臟瓣膜結構設計與有限元分析
人工機械心臟瓣膜是自然心臟瓣膜的替代物，隨著對人工心臟瓣膜血流動力學認識的深入，新材料的應用，人工機械心臟瓣膜計算機模擬、測試手段的提高，使得人工機械心臟瓣膜研究成為國內外新興研究的熱點之一。通過SolidWorks及其分析軟件COSMOSWorks進行新型三葉瓣的研究開發，分析機械心臟瓣膜的結構組成及設計要求進行瓣葉與瓣環的結構設計。對瓣葉選擇合適的網格化分，用COSMOSWorks軟件自帶求解器進行應力與應變分析。為進一步研制新型人工機械心臟瓣膜提供了一種參考方法
基于SolidWorks的機械人工心臟瓣膜結構設計與有限元分析.pdf
展開 
上海交大楊斌《ACS Nano》:真正意義上的自供電心臟起搏器！
自供能心臟起搏器設計圖
心臟起搏器是一種臨床上最為常見的輔助心功能的植入式醫療電子治療器件，通過脈沖發生器發放由電池提供能量的電脈沖，通過導線電極的傳導，刺激電極所接觸的心肌，使心臟激動和收縮，從而達到治療由于某些心律失常、心力不足等所致的心臟功能障礙的目的。值得注意的是，所有的這些植入式心臟起搏器都是帶有一塊內置電池，目前主要采用高能量密度的鋰離子電池作為能量的供應來源。然而，由于內置電池所存儲的電量是固定的，起搏器的使用壽命也必然是有限，一般5-12年，周期性地進行起搏器更換手術是起搏器植入患者目前無法避免的，這種周期性更換術大大增加了高發病率患者的健康風險，也會給患者帶來巨大的經濟負擔，甚至增加了潛在的死亡率。另外，為了保障起搏器有足夠的能量維持正常的使用壽命，起搏器在功能完善和小型化等方面的發展也受到了極大制約。半個多世紀以來，能源供給成為起搏器壽命的直接因素，也是發展到今天所面臨的最大限制性因素。通過能量采集技術轉化體內本身豐富的生物化學能、機械能等為起搏器供能成為一種醫療器件可持續供能的重要解決方案而得到廣泛研究。無電池的自供能心臟起搏器也成為心臟起搏器重要發展趨勢。
入式能量采集器供能于心臟起搏器
該研究基于塊體壓電陶瓷的高性能壓電效應，通過化學機械拋光技術對塊體壓電陶瓷材料進行厚度方向上的微尺度加工控制，使得脆性的壓電陶瓷在薄膜化后能很好的適應襯底的柔性變形，并保持著塊體的高性能壓電系數，進而為制備高輸出性能的植入式壓電能量采集器提供了關鍵材料基礎。再利用彈性結構設計的壓電能量采集器轉化心臟跳動過程中的機械能為心臟起搏器可利用的電能。本課題組和第二軍醫大學合作將研制的囊狀結構柔性壓電能量采集器植入到豬的體內，目前實現了輸出電流15 μA，相比之前報道提高8.5倍，使得這一輸出滿足心臟起搏器的功能需求。
展開 只需一針，就可溶解血栓，挽救心臟病，中風患者的生命
Sue曾經兩次心臟病發作，她的父親和三個哥哥都是因為心臟病而去世的。
她說：“如果這種療法早點出現，也許我的幾個哥哥現在還活著！”
據統計，血管被血塊堵塞是澳洲最大的殺手之一，也是造成心臟病、中風和靜脈血栓栓塞（venous thromboembolism）的罪魁禍首。澳洲平均每10分鐘就有一個人中風，另外，超過40%出現血塊的病人都會因心臟病而猝死。
血塊也被稱為隱性殺手，因為任何年齡的人體內都有可能出現，而你可能毫無察覺，等到因為血塊而中風時已經為時已晚...
所以，這種幾分鐘就能快速檢測并溶解血塊的新型療法就顯得至關重要，甚至意味著“生與死”的差別！
目前這種療法仍在研究階段，如果能夠盡快獲得進行第一階段人體試驗的資金，那么也許5年內，這種療法就能夠造福千千萬萬的患者！
來源：新材料技術前沿
傳播最新最全的材料科學技術，包括金屬材料成形、熱加工、陶瓷冶金，機械加工、粉末冶金、表面處理技術、熱處理、3D打印技術等相關材料科學技術。提供各種材料科學的視頻課程、新技術、專家答疑。
趕緊關注公眾號吧！
新材料技術前沿
展開 Adv.》論文：基于負拉阻應變傳感器的自適應心臟光遺傳器件
光遺傳學因為具有細胞選擇性、高時空準確性和節律調控性等優勢，被認為是一種在大腦和心臟疾病等領域具有相當前景的技術，但是目前心臟光遺傳學器件存在時間延遲長、功耗大和便攜性差等問題，因此亟需一種高度集成的植入式心臟光遺傳系統將閉環監測與光遺傳治療相結合，達到高效診療的目的。
近日，上海交通大學劉景全教授團隊在柔性MEMS應變傳感器和光遺傳研究中取得新進展，在Science Advances發表題為“Self-adaptive cardiac optogenetics device based on negative stretching-resistive strain sensor”的研究論文。該研究工作報道了一種新型負拉阻應變傳感器，并在此基礎上構建針對室速疾病的閉環自適應光遺傳系統，該系統具有集成度高、功耗低和效率高的特點。
圖1 負拉阻現象
圖2 基于負拉阻傳感的心臟自適應光遺傳
傳統導電聚合物在受到拉伸時，導電通路破壞導致電阻升高，然而基于CNT和天然乳膠（CNT-Natural Latex, CNL）的復合材料在受到外力拉伸時電阻大幅下降，作者將其定義為負拉阻現象并對其原理深入研究。CNL薄膜受在到86.6%應變時電阻下降75.3%，將負拉阻薄膜和LED燈串聯，薄膜受到拉伸時，LED光強增加。
展開 哈佛3D打印心臟瓣膜為提高人工膜瓣匹配度開辟道路
近期，哈佛大學的科學家們則將該技術應用到了受損心臟領域，這提供了一種可以保持動脈暢通、讓血液自由流動的潛在新工具。
心臟瓣膜置換術是一種相對常見但卻比較棘手的手術，外科醫生需要打開促進血液進出心臟的四個瓣膜中的一個。這些瓣膜可能停止正常工作的原因有很多，但其中一個特別常見的原因是鈣積聚在被稱為小葉的皮瓣上，正常情況下它在每次心跳時打開和關閉。
哈佛大學的研究人員指出，在75歲及以上的美國人中，每八個人中就有一個以上會經歷中到嚴重程度的心臟主動脈瓣堵塞。醫生通過導管小心地將人工瓣膜置入主動脈內來進行治療，這一過程被叫做經導管主動脈瓣置換術(TAVR)。然而要想確定正確的尺寸卻有點像猜謎游戲。
“如果你在網上買了一雙鞋，卻沒有先試穿過，那么它們很有可能不太合適，”哈佛大學維斯研究所資深研究科學家James Weaver解釋稱，“選擇合適的替代TAVR瓣膜也會出現類似的問題，因為醫生沒有機會在術前評估特定瓣膜的尺寸與患者的解剖結構之間的匹配程度。”
如果判斷錯誤后果將會很嚴重。如果人工瓣膜太小就會發生移位和泄漏的問題；如果人工瓣膜太大，則會導致心臟破裂甚至還可能會導致死亡。
科學家們目前確實有一些工具可供他們在準備過程中使用。通常情況下，患者需要接受CT掃描，其中X射線圖像將用于生成心臟的三維重建，但這仍舊只能描繪出部分圖像。雖然這些可以展示主動脈的外壁以及鈣的積聚，但由于小葉太薄無法顯示出來因此就很難預測出人工瓣膜的適應程度。
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