通过SIMULIA模拟为肺部研究注入新活力
每年举办的SIMULIA区域用户会议（RUMs）为在职工程师和研究人员提供了一个交流仿真技术各方面想法和经验的平台。在2025年SIMULIA美国用户大会（SAUC）上，加州大学河滨分校（UCR）的Arif Badrou博士发表了《开发器官和组织级校准人类肺模型：初步发现与未来方向》，作为活肺项目的一部分。
挑战：在加州大学河滨分校（UCR）bMECH实验室（由首席研究员Mona Eskandari博士领导的生物力学实验与计算健康实验室）的研究人员面临着对人体肺部进行建模的挑战，这一器官极其复杂，需要模拟以捕捉从微观肺泡到整个器官力学的相互作用。缺乏实验数据又是一个难题，因为肺组织结构复杂且因患者而异。即使是现有的动物研究数据，也限制了对人类肺部的表现。
解决方案：SIMULIA Abaqus的仿真能力为bMECH实验室提供了能够处理肺部复杂几何结构、非线性材料和复杂相互作用的先进工具。通过将实验数据与计算模型整合，SIMULIA Abaqus实现了实时校准和验证，弥合了肺部疾病研究物理测试与预测模拟之间的差距。
在不久的将来，这项研究有望促进机械通气优化，模型能够预测肺部在不同通气策略下的变形，从而改善COPD和COVID-19患者的结局;并通过调整组织特性，提供肺部疾病的见解，模型可用于研究肺气肿等疾病如何在整个器官层面改变肺部力学。
优点：bMECH实验室认识到，模拟使他们能够测试“如果”情景，比如探索不同的通气策略或疾病状况，而不危及患者。该方法提供了连续的多尺度数据，显著加快了研究进程，并促进了个性化治疗策略预测性医疗工具的开发。
挑战：解读肺部复杂性
当我们思考呼吸时，似乎很简单：吸气，呼气，重复。然而，对于参与肺部研究的人来说，比如加州大学河滨分校生物力学实验与计算健康实验室（bMECH Lab）的Arif Badrou博士，由首席研究员Mona Eskandari博士领导，显然还有更多事情发生：呼吸是一个复杂且协调的过程，涉及化学反应和机械运动。肺部在多个层面上工作。微小肺泡在显微镜层面与气道和宏观组织相互作用，不仅在理解肺功能上带来挑战，也在有效建模其研究和临床应用上。
“看到有这么多方法被用来对抗慢性肺病，真是很有趣。首先，当然是医疗界，比如直接诊断和治疗患者的肺病专家，此外还有研究人员和工程师，他们正在开发新设备、更好的诊断工具，以及改进的治疗方法和预防方法。这是一场强大的集体努力，旨在抗击慢性肺病。作为一名研究人员，我的工作涉及开发新的医疗工具，包括改进用于肺肿瘤切除的外科封闭剂，推进放射治疗的靶向治疗，以及开发生物化肺模型，以更好地治疗和理解肺部力学，希望能指导更好的治疗方案。”
这种复杂性对肺部疾病研究具有深远影响。肺气肿和慢性支气管炎等疾病会影响肺部微观气囊到气道组织。这些疾病常常重叠且进展不可预测。问题更复杂的是早期诊断肺部问题的困难;当症状显现时，损伤往往已不可逆。
除了优化机械呼吸机外，这种模型还可用于表示生理反应的变化，如肺容量减少或肿瘤切除（肺部部分被切除或严重改变）。未来，它还可能用于表示药物吸入和评估治疗效果。
对于巴德鲁、埃斯坎达里和加州大学理工学院的bMECH同事来说，创建准确的肺部模型面临重大挑战。肺组织复杂，实验需要精准。此前研究使用动物实验数据或仅限于单一压力-容积测量，但肺部的空间或时间测量极为有限，反应在器官、组织或微观结构尺度上的差异也极为有限。多年来，数据的缺乏限制了研究领域，限制了创建预测性和高保真度模型的能力。
“构建人体肺部模型非常困难，原因各不相同。第一个原因是肺部影响不同的方面和层级，微观和宏观层面，鉴于数值能力，模拟和建模这些相互作用非常困难。例如，如果我患有慢性支气管炎等疾病，肺组织可能会变得更僵硬。它会降低肺功能。你需要在微观层面之间存在相互作用，那里的组织更为坚硬。然后你需要模拟肺部的整体器官行为。我觉得这尤其难。另一个原因是，无论你是在为人类肺部还是其他器官开发模型，都需要用真实世界的数据进行仔细验证，而获得这样的数据并不容易。”
突破性解决方案
随着埃斯坎达里博士发明的呼吸模仿装置，使得宝贵的时空实验数据得以前所未有的收集成为可能，巴德鲁博士的工作转折，促成了bMECH实验室与达索系统领先的仿真平台SIMULIA合作，创建了首个呼吸肺三维结构模型。这次合作将学术专长与前沿工程技术结合，带来了真正开创性的方案。
这种迭代实验计算方法的核心是通过通气人类肺部，在受控环境中复制呼吸。使用了真实的人体尸体肺标本，以及猪、老鼠和老鼠的肺，通过气管充气，就像活体中一样。通过模拟生理呼吸模式，该装置使bMECH实验室能够复制真实世界的条件，同时最大限度地减少可能扭曲数据的混杂变量。
“SIMULIA处理非线性材料、接触和复杂几何结构的能力非常先进。在与肺部等生物系统合作时，它非常有用，我认为它有助于改善我们的工作流程，让我们能更多地专注于科学，而非编码和软件问题。”
该机电设备与传统冶金方法中的数字图像相关技术相结合，适应以捕捉肺部组织级应变的快速且大幅度的呼吸变形。这种合并实验装置在生成连续多尺度实验数据方面无与伦比，为构建新颖计算模型奠定了基础。通过弥合实验室实验与计算模拟之间的关键差距，本项目提供了确保模型反映肺部力学和行为所需的数据准确性。
为什么模拟改变了一切
虽然呼吸模仿装置提供了新数据，但先进模拟的作用真正释放了其潜力。SIMULIA不仅使bMECH能够处理实验数据，还探索了此前无法触及的肺功能方面。
在集成模拟之前，分析肺部行为需要数周时间构建和排查模型，这一手工过程延缓了进展。有了SIMULIA，曾经需要几周才能完成的事情现在只需几天。平台能够处理非线性材料、复杂的生物几何结构以及复杂的组织相互作用，使巴德鲁和团队能够更多地专注于推进研究，而非应对软件限制。
“模拟可以有多种用途，而且很重要，因为我认为有一种误解，比如人们谈论模拟时，会认为它是额外的东西，是我们不需要的东西，但我相信模拟提供了无价的东西。”
通过模拟，巴德鲁能够安全有效地测试“如果......”情景。该工具使他能够虚拟探索慢性支气管炎等疾病如何改变肺部硬度，或替代呼吸机通气方法如何帮助肺活量减小的患者并减轻呼吸机引发的肺损伤（VILI）。这些见解无法仅靠实验工作获得。
“SIMULIA处理非线性材料、接触和复杂几何结构的能力非常先进。在与肺部等生物系统合作时，它非常有用。我觉得这有助于改善我们的工作流程，更多关注科学，而不是编码和软件问题。因为如果我们从零开始做所有事情，会花很多时间。SIMULIA的项目帮助我们挽救了许多项目。过去模型开发和调试需要数周时间的，现在只需几天就能完成。”
其益处不仅限于效率。呼吸器和模拟流程共同形成一个迭代反馈循环。设备中的实验数据为模型提供参考，仿真则有助于优化和优化实验设计。这一迭代过程推动了埃斯坎达里博士在加州大学学院的机电技术实验室进入未知领域，连接了物理世界与计算世界之间的点。
活肺计划
受“活心计划”成功重塑心脏研究的启发，bMECH将这些原则应用于肺部健康，促成了2020年与达索系统（Dassault Systèmes）的雄心勃勃的合作，即“活肺项目”。
该项目旨在开发一个人类肺部的通用模型，全面描绘其机械性能和生理行为。结合实验中的真实组织数据与SIMULIA的模拟工具，我们正在创建一个能够捕捉呼吸周期全尺度动态的最微小化学相互作用模型。
“我们正在尝试创建一个通用的人类肺部模型。这不是针对具体患者。未来，我们希望它能根据每位患者量身定制，实现个性化和精准医疗。我在这个流程中试图开发的人肺模型，是基于实验数据校准材料参数。我们把实验端和数值流程联系起来了。如果我们有一个单一的广义人类肺部模型，那么我们就能将肺部疾病引起的生理变化纳入我们的模型，这非常复杂，因为在处理肺部或其他器官时，存在许多困难。”
虽然我们从更广泛的模型开始，但未来在于个性化。想象一个世界，临床医生可以基于患者的肺部个性化模拟，微调治疗方案。这不仅可能彻底改变肺部疾病的治疗方式，也将改变预防方式。
未来的愿景
在未来十年里，巴德鲁看到了从通用肺部模型扩展到患者特定工具的潜力。这些工具将使研究人员能够预测患者的肺部疾病可能进展，并评估特定治疗策略如何改善治疗效果。
Badrou在bMECH实验室的角色旨在超越反应性医学，进入预测性医疗领域。一些最令人兴奋的可能性包括在症状出现前发现高风险个体，从而制定预防策略，挽救生命并降低医疗成本。
“通过将所有这些持续努力结合，比如SIMULIA的先进数值模拟项目，结合差分技术，再加上研究人员、临床医生以及公共卫生项目的强大集体努力，我真的相信我们可以做一些真正有助于更好地预测和理解肺部疾病的事情。”
实现这一愿景需要持续的协作。像我们所培养的那样的伙伴关系达梭系统至关重要。模拟专业知识进一步推动研究，将曾经看似难以逾越的成果转化为切实的进展。
结论
巴德鲁为自己站在肺部研究的前沿感到自豪。通过正面应对肺部建模的复杂挑战，Eskandari博士在加州大学学院的机械工程学士实验室正在为可能重新定义呼吸系统疾病的诊断和治疗方式铺平了突破之路。高级实验和仿真不仅仅是工具;它们是个性化、预测性医疗未来不可或缺的一部分。
