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，并可能導致高血壓、早發(fā)冠狀動脈疾病、動脈瘤、中風和心力衰竭等健康問題。

為了更好地了解 CoA 患者的風險因素，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) 的導師在內(nèi)的大型研究團隊結(jié)合了機器學習、3D 打印和高性能計算模擬來準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，該團隊能夠預測生理因素(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《科學報告》雜志上。

這項工作是由當時的勞倫斯研究員 Amanda Randles(現(xiàn)為杜克大學生物醫(yī)學科學助理教授 Mordecai)和她的導師 LLNL 計算機科學家 Erik Draeger 提議作為 LLNL 的機構(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 超級計算機上進行的超過 7000 萬計算小時的 3D 模擬。

德爾格說：“你可以進行這些模擬，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，盡管你仍然需要進行模擬，但你不需要進行所有配置。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、蘭德斯和他們的團隊對主動脈狹窄進行了模擬，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 的流體動力學軟件來模擬血流，并在從計算機斷層掃描和 MRI 掃描中得出的主動脈 3D 幾何形狀上運行。由于主動脈太大并且流動非?；靵y，擁有生物醫(yī)學模擬和 HPC 背景的 Randles 重寫了 HARVEY 代碼，以最大限度地提高 Vulcan 的性能，這樣團隊就可以運行準確建模所需的大量模擬。

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