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科学家用超级计算机和3D打印模拟人体血管网

作者:Mydrivers出处:博客2016-03-22 07:51

  研究人员们说,他们正用一台新型的超级计算机模拟整个人体的血液流动,并将其与真实的流动数据进行比照,结果非常好。在该模拟软件中每一个动脉都有其三维表示,甚至包括那些直径仅有1毫米的血管,这些都是同一个人的身上扫描获得的。

  目前该系统的准确性已经通过了第一项关键性实验,当时科学家们将虚拟动脉中的血液流动与其在一个3D打印的复制品中的真实流动进行了比较。结果是,他们在实体复制品中看到的流动模式与模拟软件匹配得很好。

  在另一项研究里,无论是通塑料动脉的流体还是通过模拟主动脉的虚拟血——都是以脉动的方式移动,以模拟人体内由心脏推动血液循环的方式。“无论是正常流动还是以脉动的方式,我们都得到了非常接近的结果,这是很令人兴奋的。”该项目首席研究员、来自杜克大学的Amanda Randles说。本周,她在美国物理学会(American Physical Society)在巴尔的摩举行的March Meeting会议上介绍了自己的研究。

  这个超级计算机模拟系统被命名为“Harvey”——主要是为了纪念17世纪最先发现人体血液循环的医生William Harvey。实际上Harvey计算机代码的核心是一个3D框架,它是在对一位病人进行全身CT和MRI扫描的基础上创建的。

  “这不是一个普通的做法。”Randles博士在说到全身扫描的时候说:“但是通过它,我们就可以提取出整个动脉网络。我们首先得到一个代表血管几何形状的表面网格,再决定什么是一个流体节点和什么是一个壁节点,然后模型流体流经那里。”

  科学家的建模是在美国加州劳伦斯-利弗莫尔国家实验室(LLNL)的一台超级计算机上进行的。“它有160万个处理器,是全世界排名前十的超级计算机。”Randles博士称,她在到哈佛做物理博士之前,就在IBM从事超级计算机方面的工作。而“Harvey”就是她在哈佛大学的时候开始研究的。

  “第一阶段只是一个概念证明:我们可以在这个尺度模拟吗?”她解释说,实际上其他的模拟大多数集中在循环系统的其它部分。

  研究人员借助系统模拟每一个大于1毫米的动脉里的血液流动,其分辨率可以达到9微米(0.009毫米),这是一个大的进步。

  该项目的目标之一是测试对于心血管疾病的各种不同的干预措施,比如支架或其他手术修改——是如何更为广泛地影响整个系统的。

  “我们可以改变带表血管的网格文件,以代表不同的治疗选择。”Randles博士说。“通常你会看局部血流动力学的变化,但是通过对全身的模拟,我们可以从更大的尺度上观察其影响。”

  她补充说,为了验证Harvey的虚拟血流量与实际测量值的区别,最大的动脉——主动脉是显而易见的选择。“它会有湍流,你不会看到在身体的其他部分看到这一情况。”

  “我们认为在这部分如果能够做到正确模拟的话,那么我们在模型的其它部分都不会有太大的问题。”

  为了进行物理比较,她的团队与亚利桑那州立大学的工程师David Frakes进行合作,利用3D打印创建了该主动脉的一个塑料版本,使流体可以通过它,为了便于跟踪它的流动,科学家们在里面加入了发光颗粒。

  最终的结果非常理想,请看下图,Harvey的模拟与物理实验的结果非常一致。

  接下来,她和她的同事们正在把注意力转向系统的另一半,他们已经建立了同一个病人的血管的网格模型。最终,他们希望用毛细血管把整个网络连接起来,甚至进一步从流体建模发展到预测所有单个血细胞的运动。如果可以这样做,那么模拟单个癌细胞通过血液的扩散也将成为现实。但是这将需要下一代的超级计算机才成完成,Randles博士说,计算能力至少需要提升1000倍才行。

  她的另一个希望是,他们目前进行的高水平建模将揭示出那些需要测量和研究的最重要参数,这样对于特定病人的具体评估不需要一台超级计算机就能完成。

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关键词:高性能计算

责任编辑:郑亮

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