JHU科研课题:再生医学:计算机模拟人造心血管

描述

JHU科研课题

再生医学:计算机模拟人造心血管

课题简介

精准医学( Precision medicine, PM )

是一种针对患者的个别情形,进行医疗卫生个别化的医学模式,包括医学决策、治疗、实务以及药品都是针对病患“量身定制”的。

 

计算机辅助设计( Computer Aided Design, CAD )

是指运用计算机软件制作并模拟实物设计,并展现其外型、结构等特色的过程。有限元方法是一种用于求解微分方程组或积分方程组数值解的数值技术,这种技术在材料力学性能模拟中有重要应用。

 

先天性心脏病( Congenital heart defect, CHD )

是指在婴儿出生时就已有的心脏问题,其中部分可能致命。大部分严重的CHD都与婴儿的心脏血管发育畸形有关,比如著名的法洛氏四联症(又称蓝血婴儿症)。法洛氏四联症的症状主要是新生儿的右心室-肺动脉血管(RV-PA 血管)狭窄或缺失,这会导致血液无法有效抵达肺部并进行氧气交换,患儿血氧含量很低,血液呈蓝色而不是正常的红色。患有法洛氏四联症的新生儿必须进行开胸手术,在右心室和肺动脉之间安装一个人造RV-PA管来替代狭窄或缺失的血管的功能。然而,随着患儿的生长和发育,人造的RV-PA管无法跟随患儿一起生长,因此在患儿成年之前,每隔几年就需要对其进行一次新的开胸手术来置换一个直径更大的RV-PA管,这给患者带来了极大的痛苦和风险。近年来,3D打印技术的快速发展使得精准医学在植入外科手术上的应用成为了可能。通过计算机设计和模拟,如果能设计出一种可以随着时间“生长”的RV-PA管,就能有效地解决这一问题。

本课题旨在运用计算机辅助设计几种折叠式的自变形RV-PA管结构,并且通过有限元方法对其在不同血压和血液流速下的半径变化进行模拟,再通过模拟结果和文献中的病人数据进行对比来确定最佳的设计方案。

本课题是跨医学、材料科学、物理学和计算机科学的综合研究,并且与实际应用有极强的联系。研究者将对计算机3D建模、模拟仿真和医疗材料设计有深入的了解。

 

科研方法

计算机仿真模拟

计算机仿真模拟是一种运用计算机软件建立抽象模型、模拟真实条件并进行分析的技术。与传统的实验相比,计算机模拟技术通过数学建模,解放了普通实验对于器材的苛刻要求,具有可多次进行、反复试错的优点。同时,由于计算机模拟技术黑箱化了复杂的理论推导与数据计算,能够以直观的方式呈现研究的成果,对于初次涉猎科学研究的高中生而言,也更为简单易学、容易上手。

例如:在设计外太空的卫星轨道时,受制于客观条件,科研工作者无法在地球上重现外太空的环境,因此,只能借助计算机强大的运算能力,对外太空的情况和卫星的轨道进行模拟、反复实验,并基于模拟实验的结果,完成科学的轨道设计。

整个科研教学流程中,每一位学员都将有学术督导协助保障研究阶段性作业和论文的进度,确保取得研究成果。


授课导师

1. 约翰霍普金斯大学博士;

2. 清华大学学士;

3. 多次以第一作者身份,在生物力学领域多篇专业学术论文;

4. 研究方向:生物力学。

 

课题要求

本课题适合: 9-12 年级学生,有较强的逻辑思维和抽象思维能力

1. 英文:
(1)具备基本的学术英语阅读能力;
(2)接触过英文写作,有论文写作经验者更佳;

 

2. 数学:
(1)微积分(微分方程);
(2)线性代数;
(3)立体几何;

3. 计算机:
(1)CAD软件;

 

4. 物理:
(1)基础物理(力学)

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