Программный комплекс SIMULIA Abaqus отличается модульной архитектурой, где каждый модуль содержит специализированный набор инструментов. Эти инструменты предназначены для построения моделей методом конечных элементов и выполнения с ними различных операций, что делает процесс моделирования структурированным и эффективным.
Важным технологическим преимуществом SIMULIA Abaqus является внедрение Расширенного Метода Конечных Элементов (XFEM). Эта инновация позволяет проводить реалистичное трехмерное моделирование роста трещин, которые могут распространяться по произвольным траекториям, не ограничиваясь заранее заданными границами сетки элементов. Это открывает новые возможности в анализе прочности и долговечности материалов и конструкций.
Моделирование сердца продвигается к будущему персонализированной медицины
Сердечно-сосудистые заболевания остаются одной из главных причин смертности в мире. Например, по данным Американской кардиологической ассоциации, только в США они уносят более 850 000 жизней ежегодно. Однако современные технологии дают надежду на значительное снижение этой печальной статистики. Ключевую роль в этом могут сыграть передовые методы компьютерного моделирования, позволяющие создавать детальные цифровые двойники человеческого сердца.
Персонализированная, или точная, медицина — это стремительно развивающееся направление, которое ставит целью адаптацию диагностики и лечения под индивидуальные особенности конкретного пациента. Применение научных подходов в этой области обладает огромным потенциалом для снижения смертности и улучшения качества жизни пациентов с сердечными заболеваниями. Хотя полное понимание роли точного моделирования сердца еще формируется, уже очевидно, что это направление революционно.
На иллюстрации показана электрофизиология здорового сердца: распределение трансмембранного потенциала в левом и правом желудочках. В норме сеть Пуркинье обеспечивает одновременное возбуждение обоих желудочков, что приводит к их синхронному сокращению. При патологиях, например, при блокаде правой ножки пучка Гиса, левый желудочек возбуждается раньше, вызывая асинхронное и менее эффективное сокращение. Электрокардиограмма наглядно демонстрирует различия между нормальным и патологическим характером электрической активности сердца.
В научном обзоре «Точная медицина в моделировании человеческого сердца» международная группа исследователей глубоко анализирует проблемы и перспективы создания персонализированных сердечных моделей. В работе представлен исторический экскурс за последние 30 лет и детально рассмотрены современные симуляции, многие из которых используют в качестве основы универсальную анатомическую модель «Живое сердце» (Living Heart Model).
Реконструкция сети Пуркинье для изучения аритмий
В рамках одного из исследований консорциум ученых из Dassault Systèmes SIMULIA, Стэнфордского университета, Папского католического университета Чили, Калифорнийского университета, Университета Дьюка и Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) выполнил реконструкцию сети Пуркинье. Эта сеть состоит из специализированных клеток-проводников, расположенных под внутренней оболочкой сердца (эндокардом). Ее корректная работа критически важна для синхронизации сокращений правого и левого желудочков и является основным компонентом системы сердечного возбуждения.
Обратите внимание: Теперь сканирование мозга станет решающим фактором при приёме на работу.
Эффективное моделирование этой сети необходимо для углубленного понимания механизмов возникновения аритмий и разработки методов их лечения.Используя базовую геометрию модели «Живое сердце», исследователи создали цифровую модель сети Пуркинье. С помощью решателя Abaqus/Standard они имитировали работу сердца в течение нескольких сердечных циклов. Возбуждение инициировалось путем приложения внешнего стимула к сети Пуркинье в области атриовентрикулярного узла — естественного водителя ритма.
Результаты этого моделирования были затем обработаны для генерации виртуальной электрокардиограммы (ЭКГ). Для этого в цифровой модели были виртуально размещены электроды в стандартных позициях: на правой руке, левой руке и левой ноге. Ученые также провели сравнительный анализ паттернов электрической активации для условий здорового сердца и сердца с патологией.
Моделирование влияния лекарств на сердечный ритм
Другое важное направление исследования было посвящено анализу влияния фармакологических препаратов на электрофизиологию сердца. Известно, что побочные эффекты некоторых лекарств могут провоцировать опасные аритмии. Оценка такого риска является обязательным этапом перед выводом препарата на рынок, однако традиционные методы тестирования требуют огромных затрат и времени, что тормозит разработку новых лекарств. В качестве решения этой проблемы сегодня предлагается использование высокоточных вычислительных моделей для количественной оценки воздействия веществ на сердце.
В этой части работы исследователи смоделировали электрическую активность сердца при различных фармакологических условиях. Они использовали монодоменную модель и провели симуляцию возбуждения по всей геометрии желудочка модели «Живое сердце». Моделирование начиналось с возбуждения сети Пуркинье, а далее в течение пяти секунд отслеживалась последовательность активации сердца, учитывая автоматизм клеток Пуркинье.
Были изучены три сценария: работа сердца без лекарств, под воздействием препарата ранолазин и под воздействием хинидина. Действие каждого препарата моделировалось на клеточном уровне через избирательную блокаду определенных ионных каналов. Результаты симуляции показали, что ранолазин вызывает незначительное изменение паттернов активации и удлинение интервала QT на ЭКГ. Хинидин же привел к спонтанному развитию потенциально смертельной аритмии, что подтвердило известные риски, связанные с этим препаратом.
Перспективы: Цифровой двойник сердца для каждого
Приведенные примеры — лишь часть обширных возможностей, которые открывает персонализированное моделирование сердца. По мнению авторов исследования, благодаря стремительному прогрессу в области машинного обучения, моделирования на основе данных и физических симуляций, в ближайшее десятилетие станет возможным создание точной цифровой модели сердца для каждого человека. Такие «цифровые двойники» найдут применение в самых разных сферах: от разработки и тестирования новых медицинских устройств и лекарств до помощи врачам в принятии клинических решений и составлении индивидуальных планов лечения для пациентов.
#abaqus #simulia #cae #наука #наука и образование #наука и медицина
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Simulia Abaqus - Моделирование сердца продвигается к будущему персонализированной медицины.