在泽森科工搭建一颗基于物理的计算仿真心脏

以上看到的， 是一颗基于物理仿真的计算心脏， 一个心跳周期的仿真。其中血液先在血压的作用下由心房进入心室，心室的肌肉在受到电信号激发后收缩， 产生收缩压将血流挤出心室， 顶开主动脉， 肺静脉瓣膜， 进而完成体、肺循环。

这颗物理仿真心脏，是已知的国内第一颗全心动周期的数字仿真心脏，由泽森科工和中南大学湘雅二院共建的研发项目倾力开发而成， 其中特别值得指出的是， 该心脏仿真背后的核心技术流动弹性耦合仿真计算仿真软件为泽森科工全自主研发的多物理耦合仿真系统的子模块，能分布式运算在多GPU计算环境上，该流动弹性耦合仿真解算程序具有以下特性：

• 使用牛顿迭代法求解非线性、强耦合的流体-弹性力耦合仿真计算。
• 满足时-空二阶精度
• 每秒>100次的不可压Navier-Stokes 方程求解能力
• 每时间步百次NS方程求解
• 跳动周期1秒(100时间步) ~= 1小时仿真耗时, 在英伟达Nvidia最新的计算硬件上.
• 全GPU计算实现

数字仿真心脏的开发挑战极大，相关领域固然有文献可查，但凡所查到的文献，即使公布了仿真算法， 对于如何构建用于心脏仿真的数字模型反而讳莫如深。

泽森科工和湘雅二院反复推敲，上下求索，终于构建出了用于仿真计算的心脏数字模型， 首先是对于主动脉， 肺静脉瓣膜的重建：

这个主动脉瓣膜只有1CM直径大小,而且运动速度极快，影像数据无法捕捉其形态

泽森科工采取基于规则的方式推导出纤维走向的偏微分方程, 求解非线性方程得到

再通过形变器将这个瓣膜结构配准放置到正确位置。

在心室扩张期时， 主动脉瓣承载压力而快速闭合

在心室收缩期时， 该瓣膜被血压快速冲开

这个现象在仿真中自动重现(而非通过动画输入)

心脏的跳动由心肌纤维收缩导致， 心肌纤维结构过于精巧， 通过影像学难以重建

心脏的肌电生物物理告诉我们， 心脏其实是个电容器：

那么我们可以通过求解几个不同的电势场方程得出心肌纤维走向(~10M DOF): 使用泽森科工自研的物理解算工具，只需要数秒的时间就能完成解算。

心肌纤维在肌电的刺激下收缩，产生血压，从而将血流挤出心室。

在这个实验性的合作中，我们尝试将一个瓣膜的边沿缝上了线，从而构造出新的结构，进一步影响心肌收缩时的血流效应。

双方将继续深入探索该项技术在心血管疾病，生物材料，心血管药物研究和临床应用等方面的应用。毕竟且不说外国的诸如ANSYS等仿真软件无法实现如此复杂的仿真计算， 即使可以做，事关国人生物信息安全，亦不可对外国的仿真分析软件产生依赖。

此项目开发过程中，获得了很多前辈、学者的期许和指导，获得了一些个人投资者的帮助、赏识，这都成为了我们的动力和鞭策。

此外，也感谢上海论优提供的的弹药支持

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