用計(jì)算機(jī)研究再生醫(yī)學(xué)

Category: STEM國際競賽 Date: 2020年3月20日上午12:05

再生醫(yī)學(xué)是研究促進(jìn)組織再生或自我修復(fù)的學(xué)科，研究再生醫(yī)學(xué)對(duì)于我們?nèi)祟惡苡幸嫣帯?/p>

今天小編要介紹給大家的科研項(xiàng)目是JHU科研課題：再生醫(yī)學(xué)：計(jì)算機(jī)模擬人造心血管。這個(gè)課題需要我們研究運(yùn)用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作的方法。對(duì)于同學(xué)們來說可能是個(gè)不小的挑戰(zhàn)，但是這個(gè)課題值得我們?nèi)パ芯俊?/p>

課題簡介

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)

Precision medicine, PM

是一種針對(duì)患者的個(gè)別情形，進(jìn)行醫(yī)療衛(wèi)生個(gè)別化的醫(yī)學(xué)模式，包括醫(yī)學(xué)決策、治療、實(shí)務(wù)以及藥品都是針對(duì)病患“量身定制”的。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

Computer Aided Design, CAD

是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件制作并模擬實(shí)物設(shè)計(jì)，并展現(xiàn)其外型、結(jié)構(gòu)等特色的過程。有限元方法是一種用于求解微分方程組或積分方程組數(shù)值解的數(shù)值技術(shù)，這種技術(shù)在材料力學(xué)性能模擬中有重要應(yīng)用。

先天性心臟病

Congenital heart defect, CHD

是指在嬰兒出生時(shí)就已有的心臟問題，其中部分可能致命。大部分嚴(yán)重的CHD都與嬰兒的心臟血管發(fā)育畸形有關(guān)，比如著名的法洛氏四聯(lián)癥（又稱藍(lán)血嬰兒癥）。法洛氏四聯(lián)癥的癥狀主要是新生兒的右心室-肺動(dòng)脈血管(RV-PA 血管)狹窄或缺失，這會(huì)導(dǎo)致血液無法有效抵達(dá)肺部并進(jìn)行氧氣交換，患兒血氧含量很低，血液呈藍(lán)色而不是正常的紅色。

患有法洛氏四聯(lián)癥的新生兒必須進(jìn)行開胸手術(shù)，在右心室和肺動(dòng)脈之間安裝一個(gè)人造RV-PA管來替代狹窄或缺失的血管的功能。然而，隨著患兒的生長和發(fā)育，人造的RV-PA管無法跟隨患兒一起生長，因此在患兒成年之前，每隔幾年就需要對(duì)其進(jìn)行一次新的開胸手術(shù)來置換一個(gè)直徑更大的RV-PA管，這給患者帶來了極大的痛苦和風(fēng)險(xiǎn)。近年來，3D打印技術(shù)的快速發(fā)展使得精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)在植入外科手術(shù)上的應(yīng)用成為了可能。通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和模擬，如果能設(shè)計(jì)出一種可以隨著時(shí)間“生長”的RV-PA管，就能有效地解決這一問題。

本課題旨在運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)幾種折疊式的自變形RV-PA管結(jié)構(gòu)，并且通過有限元方法對(duì)其在不同血壓和血液流速下的半徑變化進(jìn)行模擬，再通過模擬結(jié)果和文獻(xiàn)中的病人數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來確定最佳的設(shè)計(jì)方案。

本課題是跨醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的綜合研究，并且與實(shí)際應(yīng)用有極強(qiáng)的聯(lián)系。研究者將對(duì)計(jì)算機(jī)3D建模、模擬仿真和醫(yī)療材料設(shè)計(jì)有深入的了解。

科研方法

計(jì)算機(jī)仿真模擬

計(jì)算機(jī)仿真模擬是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件建立抽象模型、模擬真實(shí)條件并進(jìn)行分析的技術(shù)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)通過數(shù)學(xué)建模，解放了普通實(shí)驗(yàn)對(duì)于器材的苛刻要求，具有可多次進(jìn)行、反復(fù)試錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)黑箱化了復(fù)雜的理論推導(dǎo)與數(shù)據(jù)計(jì)算，能夠以直觀的方式呈現(xiàn)研究的成果，對(duì)于初次涉獵科學(xué)研究的高中生而言，也更為簡單易學(xué)、容易上手。

例如：在設(shè)計(jì)外太空的衛(wèi)星軌道時(shí)，受制于客觀條件，科研工作者無法在地球上重現(xiàn)外太空的環(huán)境，因此，只能借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，對(duì)外太空的情況和衛(wèi)星的軌道進(jìn)行模擬、反復(fù)實(shí)驗(yàn)，并基于模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，完成科學(xué)的軌道設(shè)計(jì)。

整個(gè)科研教學(xué)流程中，每一位學(xué)員都將有學(xué)術(shù)督導(dǎo)協(xié)助保障研究階段性作業(yè)和論文的進(jìn)度，確保取得研究成果。