模拟人类

高性能计算支持的计算机模拟可以推动临床研究和治疗开发的下一场革命。

高性能计算支持的计算机模拟可以推动临床研究和治疗开发的下一场革命。

达索系统èmes’ Living Heart Project 所有ows anyone to better visualize and understand how the heart functions. Image courtesy of 达索系统èmes.


明年1月,法国的一组研究人员将启动一项临床试验,该试验可能会彻底改变癫痫的治疗方法。尽管可以使用药物治疗许多癫痫病患者,但大约有三分之一的患者患有药物耐药性癫痫病,需要进行神经外科手术来控制。

该手术需要医生成功定位癫痫发生区并切除部分大脑。但是,这些手术的成功率几十年来一直停留在大约50%到60%之间。虚拟大脑项目的Viktor 耶尔萨博士,国家科学研究中心研究主任,以及Inserm UMR1106系统科学研究所主任èmes(INS)已找到一种方法,可以使用个性化的患者大脑模型,利用高性能计算(HPC)资源来进行大规模的大脑模拟,从而改善对癫痫发作区域的识别。

在涉及35名已经接受手术的患者的两名飞行员中,模拟方法能够将计算机预测的区域与手术的阳性结果相关联。即将进行的临床试验将帮助指导医师计划在法国多家医院对数百名患者进行手术。

达索系统èmes’ Living Heart Project brings the power of simulation to cardiac professionals. Image courtesy of 达索系统èmes.

达索系统èmes’ Living Heart Project brings the power of simulation to cardiac professionals. Image courtesy of 达索系统èmes.


“如果试验数据如期实现,这将意味着这些患者数十年来的首次手术改善,” 耶尔萨 says. “这就是虚拟大脑方法的积极预测能力。”

耶尔萨’该项目只是如何在医疗保健行业中普及仿真和建模以使用预测分析提供实时的患者见解,以及改善医疗设备甚至药物疗法的开发和性能的一个示例。

在美国食品&药物管理局(FDA)正在进行许多努力,以模拟试验来增强甚至替代动物试验或临床试验。最终,这可能意味着医疗设备制造商可以使用数千名虚拟患者进行更大的试验;随着时间的流逝,特定患者的双胞胎可用于模拟临床试验和医院环境中的潜在治疗方法。

所有这些努力都严重依赖私有和公共机构中HPC资源的使用。这些HPC平台的使用也使得可以提供对许多人体或人体器官模拟工具的开放访问,以便研究人员以及最终的各个临床医生可以利用模拟来改善护理。

模拟与认证

美国食品药品管理局设备与放射健康中心科学与工程实验室办公室应用力学部副主任Tina Morrison表示,在证明新设备和治疗方法时,计算模型已成为重要的证据来源。

除了模拟医疗设备的性能之外,模拟和建模还可以用于在临床研究之前评估设备的安全性,以完善和增强临床研究,并在临床环境中用于帮助指导治疗决策。“从理论上讲,您可以使用几种不同的心律模拟特定于患者的解剖结构,并确定最适合患者的解剖结构,” Morrison says.

科学家可以模拟实际的医疗设备,以及解剖结构,生理学,化学毒理学和3D打印设备的制造。这可能会增加医疗器械和治疗领域的创新。

“使用基准测试或动物测试时,您必须减少设计选择的数量,因为测试非常昂贵,”软件供应商Dassault Syst首席战略官Steve 莱文说èmes’SIMULIA仿真软件部门。“虚拟测试为医疗设备领域的创新开辟了一个全新的世界,因为现在您可以了解产品在目标临床条件下如何工作。”

那 extends into diagnostics. “您真的可以将创建解决方案的人员与管理解决方案的人员联系起来,” 莱文 says.

美国食品药品管理局已经使用虚拟人体模型进行电磁,热和流体动力学仿真,评估了200多种器械。模拟也已用于预测全髋关节置换植入物的磨损或腐蚀。莫里森认为,模拟还被用于增强制药公司的临床试验,这些公司希望更快地测试现有产品的新疗法。

通过转换为计算机模拟试验,公司不仅可以节省数百万美元(典型的临床试验每位患者需要花费50,000美元),而且可以创建比使用人类或动物进行的实验更为广泛的实验。一个虚拟的临床试验可以包括成千上万的患者,并且可以在短短几个月内完成。

虚拟身体,器官模型

为了帮助推动医疗保健模拟的发展,许多组织已经在开发人体和特定器官的虚拟模型。达索’s 莱文 has played a key role in that company’例如,“生命之心计划”。

莱文’自己的女儿出生时患有罕见的心脏缺陷,自从蹒跚学步起就一直与起搏器生活在一起。正是这种经历,他对缺乏可用数据来改善女儿的状况感到沮丧’的治疗,这部分地导致了他进入生物医学模拟这一特定领域。

“我们拥有复杂的模型,可以在计算机上代表整个10,000零件的航空公司,但是对于人心之类的事物,我们拥有这些非常简单的模型,” 莱文 says. “在研究了这个问题之后,我们意识到很多原因归结为这样一个事实,即对人体建模的科学,一切都是非常小的。各个专业的研究人员都有很多知识,但是没有工具可以将它们全部组合在一起。”

达索系统èmes收集了这些数据,并用它来创建一个逼真的心脏模型,其中包括模拟电活动,力学和血流的能力。活人之心于2015年首次亮相,现在可通过该公司获得’的3DEXPERIENCE云平台。

使用该模型,用户可以将单个心脏的2D扫描转换为个性化的功能齐全的模型,该模型可用于模拟起搏器和手术的效果。

美国食品药品管理局正在与达索(Dassault)合作,以确保将“活体心脏”安全地整合到治疗计划中。活着的心脏还被用来模拟影响器官功能的详细药物相互作用—斯坦福大学的研究人员使用该解决方案建立了一个模型,该模型可以帮助制药公司测试药物诱发心律不齐的风险。

这些复杂的多物理场仿真仍然需要很多时间。模拟三个心动周期可能需要8到10个小时。完整的CFD模拟可能需要24小时才能产生一些心跳。

欧盟’人类的大脑计划是已经出现的另一个平台,可以帮助研究人员对身体的功能和发展有新的认识。维克托·吉尔萨(Viktor 耶尔萨)’Virtual Brain也已与该项目合作。还记得他们以前在玩具店里出售的那些“有形男人/有形女人”模型吗?现在有一些虚拟“Visible Human” projects aimed at simulating the 恩 tire body. Among them are the 可见的人 Korean project, the U.S. National Library of Medicine’s (NLM) 可见的人 Project, the Virtual Human Embryo at Louisiana State University, and several others.

The NLM 可见的人 Project has created a complete, anatomically detailed 3D representation of both male and female bodies obtained from scans of human cadavers. Those models have been used for equipment design and surgical and diagnostic simulations.

使用这些模型,研究人员可以克服现实世界中临床试验的某些局限性,因为他们可以对几乎无限量的患者进行测试。但是,这意味着需要一种方法来现实地表示该人群中的疾病状态。一种方法是使用回顾性研究。如果模拟可以重现这些结果,那么可以利用机器学习来创建Levine所说的“各种各样的数字人类疾病状态,” for use in trials.

“所有这些问题都是可以解决的,” 莱文 says. “我们拥有可以弄清楚并代表它的技术。”

密集计算仿真

为了在这些应用中充分利用仿真的优势,研究人员必须克服两个关键挑战:获取有关人体的足够数据以创建良好的模型,以及访问大量的计算资源。

“您可以将汽车拆开进行测试,” 莱文 says. “You can’人体无法做到这一点,因此我们必须通过间接方式得出许多物理测试。”

莱文说,逆向工程问题是可以解决的。更为复杂的挑战是人体会随着时间而变化。“That’与我们的心态不同’在看着像汽车的东西,” he says. “重点在于首次创建汽车时会发生什么。它’s a much bigger time factor, which means we need more synergy with real-world data that we can observe. 那’在临床医师进来的地方。他们脑海中拥有不可思议的知识,但通常不会将其翻译成纸。”

这项工作还需要大量的计算资源。“但是随着时间的流逝,我们会越来越好,” 莱文 says. “您需要大量的内核,但是这项工作适合我们当前的能力,并且随着时间的推移,它将始终变得更加高效。”

随着这些努力从实验室转移到医院,在云中启用像HPC这样的技术至关重要。例如,Jirsa’INS的HPC集群支持了癫痫病项目(EPINOV),并获得了瑞士,德国和西班牙的超级计算机的支持。

 “医院不会部署超级计算机来做到这一点,” 莱文 says. “他们只想上传图像,并在几个小时后将心脏模型下载到计算机上。”

并不是每个人都可以使用这种级别的HPC功能,这就是为什么Morrison说FDA正在努力改善外部利益相关者对其自己的HPC中心的访问权限。“这些试验的理论方面很简单,但是需要强大的计算能力,” Morrison says.

既然我们知道了模拟的可能性,莫里森建议业界应扩大对患者的宣传范围,以便他们知道如果将更多的资源投入到这些工作中可以达到什么效果。“我们需要更多的资源,而且访问数据并操纵该数据进行仿真并不便宜,” Morrison says. “也许可以促使公众说他们对此感兴趣,并且他们希望在此领域获得更多资源可能是一个重要的出发点。”

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