使用模型 3D 打印来研究常见的心脏缺陷

主动脉缩窄 (CoA) 是最常见的先天性心脏缺陷之一，是将血液从心脏输送到身体其他部位的主动脉变窄。在美国，它每年影响超过 1,600 名新生儿，并可能导致高血压、早发冠状动脉疾病、动脉瘤、中风和心力衰竭等健康问题。

为了更好地了解 CoA 患者的风险因素，包括前劳伦斯研究员和她在劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的导师在内的大型研究团队结合了机器学习、3D 打印和高性能计算模拟来准确建模主动脉中的血液流动。使用在 3D 打印脉管系统上验证的模型，该团队能够预测生理因素(例如劳累、抬高甚至怀孕)对 CoA 的影响，CoA 会迫使心脏更加用力地泵血以将血液输送到身体。该工作发表在《科学报告》杂志上。

这项工作是由当时的劳伦斯研究员 Amanda Randles(现为杜克大学生物医学科学助理教授 Mordecai)和她的导师 LLNL 计算机科学家 Erik Draeger 提议作为 LLNL 的机构计算大挑战项目，这项工作代表了迄今为止最大的模拟研究CoA，涉及在 LLNL 的 Blue Gene/Q Vulcan 超级计算机上进行的超过 7000 万计算小时的 3D 模拟。

德尔格说：“你可以进行这些模拟，真正了解这种情况对患者产生的实际影响范围，而不仅仅是患者坐在医生办公室休息时出现的因素。”“它还描述了一种协议，尽管你仍然需要进行模拟，但你不需要进行所有配置。这种类型的研究真正有趣的事情之一是，直到你可以做到这一水平“在模拟过程中，你必须遵循平均结果。而有了这个，你可以拍摄该特定人的主动脉图像并模拟主动脉壁上的压力。”

在 Vulcan 上，德尔格、兰德斯和他们的团队对主动脉狭窄进行了模拟，狭窄是心脏左侧的狭窄，会在主动脉和身体其他部位产生压力梯度。模拟使用了 Randles 开发的名为 HARVEY 的流体动力学软件来模拟血流，并在从计算机断层扫描和 MRI 扫描中得出的主动脉 3D 几何形状上运行。由于主动脉太大并且流动非常混乱，拥有生物医学模拟和 HPC 背景的 Randles 重写了 HARVEY 代码，以最大限度地提高 Vulcan 的性能，这样团队就可以运行准确建模所需的大量模拟。

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