使用模型 3D 打印來研究常見的心臟缺陷

主動脈縮窄 (CoA) 是最常見的先天性心臟缺陷之一，是將血液從心臟輸送到身體其他部位的主動脈變窄。在美國，它每年影響超過 1,600 名新生兒，并可能導(dǎo)致高血壓、早發(fā)冠狀動脈疾病、動脈瘤、中風(fēng)和心力衰竭等健康問題。

為了更好地了解 CoA 患者的風(fēng)險因素，包括前勞倫斯研究員和她在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 的導(dǎo)師在內(nèi)的大型研究團(tuán)隊結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)、3D 打印和高性能計算模擬來準(zhǔn)確建模主動脈中的血液流動。使用在 3D 打印脈管系統(tǒng)上驗證的模型，該團(tuán)隊能夠預(yù)測生理因素(例如勞累、抬高甚至懷孕)對 CoA 的影響，CoA 會迫使心臟更加用力地泵血以將血液輸送到身體。該工作發(fā)表在《科學(xué)報告》雜志上。

這項工作是由當(dāng)時的勞倫斯研究員 Amanda Randles(現(xiàn)為杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)助理教授 Mordecai)和她的導(dǎo)師 LLNL 計算機(jī)科學(xué)家 Erik Draeger 提議作為 LLNL 的機(jī)構(gòu)計算大挑戰(zhàn)項目，這項工作代表了迄今為止最大的模擬研究CoA，涉及在 LLNL 的 Blue Gene/Q Vulcan 超級計算機(jī)上進(jìn)行的超過 7000 萬計算小時的 3D 模擬。

德爾格說：“你可以進(jìn)行這些模擬，真正了解這種情況對患者產(chǎn)生的實際影響范圍，而不僅僅是患者坐在醫(yī)生辦公室休息時出現(xiàn)的因素。”“它還描述了一種協(xié)議，盡管你仍然需要進(jìn)行模擬，但你不需要進(jìn)行所有配置。這種類型的研究真正有趣的事情之一是，直到你可以做到這一水平“在模擬過程中，你必須遵循平均結(jié)果。而有了這個，你可以拍攝該特定人的主動脈圖像并模擬主動脈壁上的壓力。”

在 Vulcan 上，德爾格、蘭德斯和他們的團(tuán)隊對主動脈狹窄進(jìn)行了模擬，狹窄是心臟左側(cè)的狹窄，會在主動脈和身體其他部位產(chǎn)生壓力梯度。模擬使用了 Randles 開發(fā)的名為 HARVEY 的流體動力學(xué)軟件來模擬血流，并在從計算機(jī)斷層掃描和 MRI 掃描中得出的主動脈 3D 幾何形狀上運(yùn)行。由于主動脈太大并且流動非?；靵y，擁有生物醫(yī)學(xué)模擬和 HPC 背景的 Randles 重寫了 HARVEY 代碼，以最大限度地提高 Vulcan 的性能，這樣團(tuán)隊就可以運(yùn)行準(zhǔn)確建模所需的大量模擬。

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