JHU科研課題

再生醫(yī)學(xué)：計算機(jī)模擬人造心血管

課題簡介

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)（ Precision medicine, PM ）

是一種針對患者的個別情形，進(jìn)行醫(yī)療衛(wèi)生個別化的醫(yī)學(xué)模式，包括醫(yī)學(xué)決策、治療、實務(wù)以及藥品都是針對病患“量身定制”的。

 

計算機(jī)輔助設(shè)計（ Computer Aided Design, CAD ）

是指運(yùn)用計算機(jī)軟件制作并模擬實物設(shè)計，并展現(xiàn)其外型、結(jié)構(gòu)等特色的過程。有限元方法是一種用于求解微分方程組或積分方程組數(shù)值解的數(shù)值技術(shù)，這種技術(shù)在材料力學(xué)性能模擬中有重要應(yīng)用。

 

先天性心臟?。?Congenital heart defect, CHD ）

是指在嬰兒出生時就已有的心臟問題，其中部分可能致命。大部分嚴(yán)重的CHD都與嬰兒的心臟血管發(fā)育畸形有關(guān)，比如著名的法洛氏四聯(lián)癥（又稱藍(lán)血嬰兒癥）。法洛氏四聯(lián)癥的癥狀主要是新生兒的右心室-肺動脈血管(RV-PA 血管)狹窄或缺失，這會導(dǎo)致血液無法有效抵達(dá)肺部并進(jìn)行氧氣交換，患兒血氧含量很低，血液呈藍(lán)色而不是正常的紅色?；加蟹迨纤穆?lián)癥的新生兒必須進(jìn)行開胸手術(shù)，在右心室和肺動脈之間安裝一個人造RV-PA管來替代狹窄或缺失的血管的功能。然而，隨著患兒的生長和發(fā)育，人造的RV-PA管無法跟隨患兒一起生長，因此在患兒成年之前，每隔幾年就需要對其進(jìn)行一次新的開胸手術(shù)來置換一個直徑更大的RV-PA管，這給患者帶來了極大的痛苦和風(fēng)險。近年來，3D打印技術(shù)的快速發(fā)展使得精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)在植入外科手術(shù)上的應(yīng)用成為了可能。通過計算機(jī)設(shè)計和模擬，如果能設(shè)計出一種可以隨著時間“生長”的RV-PA管，就能有效地解決這一問題。

本課題旨在運(yùn)用計算機(jī)輔助設(shè)計幾種折疊式的自變形RV-PA管結(jié)構(gòu)，并且通過有限元方法對其在不同血壓和血液流速下的半徑變化進(jìn)行模擬，再通過模擬結(jié)果和文獻(xiàn)中的病人數(shù)據(jù)進(jìn)行對比來確定最佳的設(shè)計方案。

本課題是跨醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)和計算機(jī)科學(xué)的綜合研究，并且與實際應(yīng)用有極強(qiáng)的聯(lián)系。研究者將對計算機(jī)3D建模、模擬仿真和醫(yī)療材料設(shè)計有深入的了解。

 

科研方法

計算機(jī)仿真模擬

計算機(jī)仿真模擬是一種運(yùn)用計算機(jī)軟件建立抽象模型、模擬真實條件并進(jìn)行分析的技術(shù)。與傳統(tǒng)的實驗相比，計算機(jī)模擬技術(shù)通過數(shù)學(xué)建模，解放了普通實驗對于器材的苛刻要求，具有可多次進(jìn)行、反復(fù)試錯的優(yōu)點。同時，由于計算機(jī)模擬技術(shù)黑箱化了復(fù)雜的理論推導(dǎo)與數(shù)據(jù)計算，能夠以直觀的方式呈現(xiàn)研究的成果，對于初次涉獵科學(xué)研究的高中生而言，也更為簡單易學(xué)、容易上手。

例如：在設(shè)計外太空的衛(wèi)星軌道時，受制于客觀條件，科研工作者無法在地球上重現(xiàn)外太空的環(huán)境，因此，只能借助計算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，對外太空的情況和衛(wèi)星的軌道進(jìn)行模擬、反復(fù)實驗，并基于模擬實驗的結(jié)果，完成科學(xué)的軌道設(shè)計。

整個科研教學(xué)流程中，每一位學(xué)員都將有學(xué)術(shù)督導(dǎo)協(xié)助保障研究階段性作業(yè)和論文的進(jìn)度，確保取得研究成果。

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課題要求

本課題適合： 9-12 年級學(xué)生，有較強(qiáng)的邏輯思維和抽象思維能力

1. 英文：
（1）具備基本的學(xué)術(shù)英語閱讀能力；
（2）接觸過英文寫作，有論文寫作經(jīng)驗者更佳；

 

2. 數(shù)學(xué)：
（1）微積分（微分方程）；
（2）線性代數(shù)；
（3）立體幾何；

3. 計算機(jī)：
（1）CAD軟件；

 

4. 物理：
（1）基礎(chǔ)物理（力學(xué)）