呼吸新鲜空气

By Ansys Advantage Staff

作为浙江大学工程力学专业的学生，于峰博士很早就对医疗保健应用产生了不同寻常的兴趣。

“我的大多数同学都对涡轮机和航空航天科学着迷，”他回忆道。“但我对人体的机制更感兴趣，尤其是呼吸系统。”早在2007年，冯就开始使用Ansys流利进行肺内空气轨迹的计算流体动力学(CFD)模拟，这是他本科研究的一部分。他在北卡罗来纳州立大学攻读机械工程硕士和博士学位期间继续这项工作。

快进到2021年，冯已经成为使用工程模拟(包括CFD和结构建模)来创建单个人类患者呼吸系统的数字双胞胎的先驱。他在俄克拉荷马州立大学计算生物流体和生物力学实验室的团队正在努力对呼吸过程进行更深入的了解，并改善肺部健康结果，这是一个今天引起全球关注的话题。

“模拟提供了一种非侵入性的方式来了解每个患者呼吸道的几何形状和力学，使治疗更有针对性，更有效，”他指出。“我的整个学术和职业生涯都是基于利用模拟来改善人类呼吸系统健康COVID-19大流行这只会增加我的承诺。”

更准确地追踪有毒和治疗颗粒

在俄克拉何马州立大学化学工程学院的研究小组中，Feng使用了Fluent和Ansys机械构建特定受试者的完整呼吸模型，覆盖从口腔开始的整个肺传导区。Feng的模拟结合了计算流体-颗粒动力学(CFPD)和基于生理学的药代动力学/毒性动力学(PBPK/TK)模型来捕捉吸入气溶胶在肺系统中的运输、沉积、转运和清除。冯的动态模拟是第一个捕捉到人类呼吸道暴露于空气颗粒时的复杂运作的模拟。

通过对全肺几何形状进行建模，然后创建动态数字模拟，Feng可以收集高分辨率数据并进行参数化研究，以显示颗粒如何随时间分布和吸收。这项先进的研究不仅可以提高吸入器和其他呼吸疗法的有效性，还可以帮助阐明冠状病毒和其他空气传播疾病是如何进入肺部的。

Feng解释说:“通过Ansys软件进行肺部建模可以帮助临床医生更好地理解和可视化颗粒流，因此他们可以设计更有效的设备和治疗计划，无论患者的呼吸状况如何，都可以将药物治疗输送到肺部。”“在对抗COVID-19和其他空气传播疾病方面，这些模拟还可以帮助阐明病毒如何附着在肺部、生长并引发免疫系统反应。”

冯在俄克拉荷马州立大学的研究小组也在使用动态模拟来增加对冠状病毒如何在室内和室外环境中传播的集体理解。通过揭示空气中颗粒的传播方式，以及通风系统对其路径的影响，冯希望保护医护人员和公众免受空气感染和污染。

针对患者的数字双胞胎:一个新兴概念

项目主管蒂埃里·马查尔说医疗解决方案在Ansys, Feng的模型最令人兴奋的一个方面是，它们可以根据特定患者的精确几何形状进行定制。

“冯博士在定制人体模拟方面的工作处于当今医学研究和发展的前沿，”Marchal强调说。“全球卫生保健社区认识到，个性化的药物输送、手术和其他医疗干预措施可以显著改善结果。”

冯的建模方法究竟如何影响患者的结果?考虑一个呼吸道有特殊畸形的病人，比如疤痕的声门部分阻塞了气道。通过使用来自CT图像、MRI扫描或其他成像方法的输入，在Ansys Mechanical中创建基本几何形状，Feng可以对这种非常特殊的畸形进行建模。然后，他可以使用Fluent软件创建一个数字双胞胎，动态地复制真实世界的气流，从口腔一直到肺泡(肺里的小囊)。通过添加PBPK/TK模型来扩展Fluent的功能，Feng可以预测颗粒如何通过肺泡壁被吸收并在器官中分布。

临床医生可以在数字双胞胎中研究流体结构相互作用(FSIs)，以了解这种患者特异性特征如何影响个体的整体呼吸过程，以及治疗药物向肺部的输送。然后他们可以相应地修改治疗计划。

“在改善所有患者的医疗结果方面，问题不是，‘我们如何才能制造出更好的、适合所有人的吸入器或呼吸机?’”冯说。“问题是，‘我们如何设计一种吸入器或呼吸机，以及相关的最佳做法，使其对特定患者更有效?动态、多物理场模拟是实现这一目标的最无创、最经济的方法。”

虽然人类数字双胞胎的概念目前还没有得到广泛应用，但冯的研究为更广泛的应用奠定了基础。他正在与俄克拉荷马大学健康科学中心的医生合作，完善他的数字双胞胎的模拟模型和算法，以便最终实现商业化并大规模推出。

为呼吸疗法注入新生命

作为Ansys仿真软件的13年用户，Feng指出，如果没有处理速度、参数化研究和计算算法方面的重大进步，今天的动态数字孪生就不可能实现。因为人体呼吸道在几何上是复杂的，基于微粒的动态气流也同样复杂，冯的工作涉及到解决非常大的数值问题。

“从开发用于数据管理的Ansys Workbench，它允许我的团队将机器学习算法应用于一个巨大的数据库，到云托管的出现，Ansys一直支持着我的研究，因为它的复杂性越来越大，”Feng说。“Ansys为改进其软件所做的一切都直接使我的建模能力受益，并增加了它们进入全球医疗保健市场的可能性。”

俞峰博士早年是一名工程力学本科生，他对人体呼吸系统非常着迷，从那时起，他走过了漫长的道路。如今，他正在领导创新诊断和治疗方法的开发，这些方法有可能改变卫生保健，并帮助世界赢得与COVID-19和其他空气传播疾病的斗争。