探讨一个被忽视但重要的技术/话题

大约2%的人群患有脑动脉瘤，这是一种由于动脉壁弱化而造成动脉扩张的疾病。虽然大部分患者没有出现任何症状或健康问题，每年有大约1%的动脉瘤会破裂，而其中30%的脑动脉瘤破裂会致死。对于健康危害概率较低的小动脉瘤而言，通常只需关注它们的大小。而治疗较大动脉瘤的方式是做开颅手术，切除动脉的病变部分，然后将剩余两端夹在一起。回顾性分析显示，与血管内手术相比，外科手术会带来更大的不良后果风险，需要更长的住院时间和恢复期。血管内手术是将导管插入靠近腹股沟的腿动脉中。在医疗成像的辅助下，外科医生将引导携带植入物的导管到达动脉瘤处。在设备就位后，外科医生扩张植入物并移除导管。

多种血管内植入物可被用于治疗脑动脉瘤，包括偏流器（FD）、血管内设备（ID）和激光切割支架。根据美国心血管研究基金会（CRF）和美国国家生物技术信息中心（NCBI）提供的资料，选择有正确的直径、长度和扩张度的植入物，以紧密匹配动脉瘤的横截面和长度，这一点对于实现最好的治疗结果至关重要。NCBI出版的论文显示，高达65%的内窥镜手术都伴随各种类型的脱靶现象。例如，如果安装在动脉瘤囊内部分的ID植入物太小，血液就会填充间隙，给动脉瘤施加压力。如果植入物太大则会形成凝块和导致缺血性中风。

为解决这个问题，Sim&Cure研发了数字孪生体。当患者处于麻醉状态时，外科医生运行软件，用模型代表患者受损血管的结构与行为。软件帮助医生迅速准确地确定了植入物的理想尺寸以及固定位置，以获得最佳疗效。

脑部动脉网络的3D打印模型

确定植入物尺寸的现行方法

一直以来，医生能够使用两种方法确定植入物的尺寸和位置。一种方法是在外科手术前，在3D旋转血管造影中取得的2D扫描图上进行测量，或直接在3D扫描图上进行测量。这个过程至少需要10分钟，这样会延长患者麻醉时间，增加并发症的风险。这些测量并未考虑植入物在手术过程中的变形与移动情况，因此能否有效放置取决于医生的技能、经验与直觉。

另一种方法是使用3D旋转血管造影生成血管的计算机辅助设计（CAD）。然后用3D打印机缓慢地为血管构建物理模型，以用于测试不同的设备尺寸和放置参数。但是手术过程中使用的药物会严重改变动脉的大小和形状，因此模型构建者必须努力消除这些影响。实际情况可能与确定植入物尺寸所用的物理模型大相径庭。

利用3D旋转血管造影观察到的带血管瘤的动脉系统

仿真软件提供更准确的解决方案

在Sim&Cure使用的新方法中，当病人准备好接受手术后，3D旋转血管造影可用于为动脉瘤和周边血管生成3D模型。Sim&Cure软件导入动脉模型并将其展示给外科医生看，随后外科医生在动脉上选择最终放置的植入物的最佳位置以及尺寸。

Sim&Cure的IDsize®软件能够仿真血管内设备植入物，提供具有各种尺寸的可用植入物设备的模型，便于外科医生选择需要仿真的特定植入物。Sim&Cure将患者动脉模型与所选设备模型相结合，以生成ANSYS Mechanical输入文件。ANSYS Mechanical负责分析可植入设备与动脉的变形以及两者间的相互作用，并提供放置在患者动脉内的设备的3D模型，同时还显示了植入物和动脉瘤相互重叠的情况。

医生能平移、旋转和缩放造影图像，从而全面了解植入物和动脉瘤之间的关系。颜色编码可用于显示植入物接触栓塞（堵塞）的确切区域。横截面剖面图显示了植入物和动脉之间的任何间隙。根据所选定的设备，每次仿真将用时10到25秒。外科医生能方便地为分析过程选择和仿真更多的设备和尺寸，以便确定哪一种能提供最理想的疗效。在不到5分钟内，外科医生即可完成仿真流程，选择理想的设备并开始手术。

 

如右所示为ANSYS Mechanical仿真的血管内植入设备。右上方为3D视图，绿色是植入设备与动脉瘤接触的位置。右下方给出2D仿真结果图，与左侧的病人2D图方向一致。仿真结果准确预测了植入物放置过程，为手术成功奠定了重要基础。

放置在动脉瘤中的植入物的ANSYS Mechanical仿真（左）。紧邻植入物的动脉瘤表面如图中绿色部分所示。仿真结果准确预测了植入物放置过程，为手术成功奠定了重要基础。

“ANSYS Mechanical可分析植入设备与动脉的变形以及两者间的相互作用，并提供放置在患者动脉内的设备的3D模型。”

积极的临床试验结果

通常情况下，由于植入物的尺寸或位置问题，大约10%的血管内介入治疗需要后续外科手术。但是在使用Sim&Cure软件的三项临床试验中，一共进行了500多次外科手术，没有一位病人需要后续外科手术。

许多动脉瘤手术需要第二个甚至第三个植入物，通常是因为最初选定的植入物在放置到患者体内后才发现尺寸不对。这样会延长手术时间，增加患者的并发症风险。使用Sim&Cure软件的医生已经把每次手术使用的设备数量从过去的1.35个降低到目前的1.05个。除了能降低患者的风险，这样还能为每次手术节省3,000欧元（大约3,600美元）的费用。此外，临床试验还显示Sim&Cure能将手术时间缩短大约30分钟，从而进一步降低并发症风险并节省更多的费用。

直方图显示2016-2017年度通过使用Sim&Cure软件，医生能够使用比以往更小的植入物，并降低了患者的并发症风险。

Sim&Cure工程师在这个应用中选择ANSYS Mechanical的原因如下。他们不希望花费时间和资源来自行研发有限元分析软件。他们想要一款具有最高的准确性以及在医药界具有最高声誉的软件包。ANSYS Mechanical同时满足这两项要求。欧洲的ANSYS客户卓越团队与Sim&Cure工程师密切合作，以确保实现快速无缝的集成。

Sim&Cure是第一家向市场推出基于患者的数字孪生体的公司。这种数字孪生体可为动脉瘤治疗提供仿真，包括按照患者独特的动脉几何结构仿真植入物的扩张与放置过程。在三家欧洲医院开展的临床试验证明了，后续手术数量以及手术时间大幅减少。Sim&Cure解决方案目前已在17个不同国家得到广泛应用，预计今年年底前还将用于2,000多个外科手术。

利用2D轴位血管造影观察到的带血管瘤的动脉系统（动脉的圆形突出）