一股新鲜空气

由Ansys Advantage Staff提供

作为中国浙江大学工程力学专业的学生，余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。“但我对人体的力学更感兴趣，尤其是呼吸系统。”早在2007年，冯小刚就开始使用Ansys流利对肺内空气轨迹进行计算流体动力学(CFD)模拟，这是他本科研究的一部分。在北卡罗莱纳州立大学攻读机械工程硕士和博士学位期间，他继续从事这项工作。

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，这是一个今天受到全球关注的话题。

他指出:“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结构和力学，使治疗更有针对性，更有效。”“我的整个学术和职业生涯都是基于使用模拟来改善人类呼吸健康COVID-19大流行只会增加我的承诺。”

更准确地跟踪有毒和治疗颗粒

在他在俄克拉荷马州立大学化学工程学院的研究小组中，冯使用Fluent和Ansys机械构建受试者特异性的完整呼吸模型，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)和基于生理的药代动力学/毒代动力学(PBPK/TK)模型，以捕捉吸入气溶胶在肺系统中的运输、沉积、转运和清除。冯的动态模拟是首次捕捉到人体呼吸道暴露于空气中颗粒时的复杂工作机制的模拟之一。

通过对整个肺的几何形状进行建模，然后创建动态数字模拟，冯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，都可以将药物疗法输送到肺部。”“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团队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了解。通过揭示空气中颗粒的传播方式，以及通风系统对其传播途径的影响，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:一个新兴的概念

据蒂埃里·马查尔说，他是医疗解决方案在Ansys，冯的模型最令人兴奋的方面之一是，它们可以被定制，以反映特定患者的精确几何形状。

“冯博士在定制人体模拟方面的工作处于当今医学研发的前沿，”Marchal强调。“全球卫生界正在认识到，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?考虑一个有非常特殊的呼吸道畸形的病人，例如疤痕声门部分阻碍了气道。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中创建基本几何图形，Feng可以对这种非常特定的畸形进行建模。然后，他可以添加Fluent来构建一个数字双胞胎，动态复制现实世界的气流，从嘴巴一直到肺泡，肺里的小囊。通过添加PBPK/TK模型来扩展Fluent的功能，Feng接下来可以预测颗粒如何通过肺泡壁吸收并在器官中分布。

临床医生可以研究数字双胞胎中的流体-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他们的治疗计划。

“为了改善所有患者的医疗结果，问题不在于‘我们如何才能制造出一种更好的、适用于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，以及相关的最佳实践，以便更有效地为特定患者工作?动态、多物理场模拟是实现这一目标最无创、最经济的方式。”

虽然人类数字双胞胎的概念目前还没有广泛应用，但冯的研究为更广泛的应用奠定了基础。他正在与俄克拉何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、参数研究和计算算法的显著进步，今天的动态数字双胞胎将无法实现。由于人体呼吸道在几何上是复杂的，基于颗粒的动态气流也同样复杂，冯的工作涉及解决数值上非常大的问题。

“从用于数据管理的Ansys Workbench的开发，它允许我的团队将机器学习算法应用于巨大的数据库，到云托管的出现，Ansys一直支持着我的研究，因为它的复杂性不断增长，”冯说。“Ansys为改进软件所做的一切都直接有益于我的建模能力，并增加了它们进入全球医疗保健市场的可能性。”

于峰博士早年是一名工程力学本科学生，他对人体呼吸系统非常着迷。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战斗。