JHU科研課題

再生醫學：計算機模擬人造心血管

課題簡介

精準醫學（ Precision medicine, PM ）

是一種針對患者的個別情形，進行醫療衛生個別化的醫學模式，包括醫學決策、治療、實務以及藥品都是針對病患“量身定制”的。

 

計算機輔助設計（ Computer Aided Design, CAD ）

是指運用計算機軟件制作并模擬實物設計，并展現其外型、結構等特色的過程。有限元方法是一種用于求解微分方程組或積分方程組數值解的數值技術，這種技術在材料力學性能模擬中有重要應用。

 

先天性心臟病（ 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。大部分嚴重的CHD都與嬰兒的心臟血管發育畸形有關，比如著名的法洛氏四聯癥（又稱藍血嬰兒癥）。法洛氏四聯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，這會導致血液無法有效抵達肺部并進行氧氣交換，患兒血氧含量很低，血液呈藍色而不是正常的紅色。患有法洛氏四聯癥的新生兒必須進行開胸手術，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行一次新的開胸手術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險。近年來，3D打印技術的快速發展使得精準醫學在植入外科手術上的應用成為了可能。通過計算機設計和模擬，如果能設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。

本課題旨在運用計算機輔助設計幾種折疊式的自變形RV-PA管結構，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行模擬，再通過模擬結果和文獻中的病人數據進行對比來確定最佳的設計方案。

本課題是跨醫學、材料科學、物理學和計算機科學的綜合研究，并且與實際應用有極強的聯系。研究者將對計算機3D建模、模擬仿真和醫療材料設計有深入的了解。

 

科研方法

計算機仿真模擬

計算機仿真模擬是一種運用計算機軟件建立抽象模型、模擬真實條件并進行分析的技術。與傳統的實驗相比，計算機模擬技術通過數學建模，解放了普通實驗對于器材的苛刻要求，具有可多次進行、反復試錯的優點。同時，由于計算機模擬技術黑箱化了復雜的理論推導與數據計算，能夠以直觀的方式呈現研究的成果，對于初次涉獵科學研究的高中生而言，也更為簡單易學、容易上手。

例如：在設計外太空的衛星軌道時，受制于客觀條件，科研工作者無法在地球上重現外太空的環境，因此，只能借助計算機強大的運算能力，對外太空的情況和衛星的軌道進行模擬、反復實驗，并基于模擬實驗的結果，完成科學的軌道設計。

整個科研教學流程中，每一位學員都將有學術督導協助保障研究階段性作業和論文的進度，確保取得研究成果。

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課題要求

本課題適合： 9-12 年級學生，有較強的邏輯思維和抽象思維能力

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

 

2. 數學：
（1）微積分（微分方程）；
（2）線性代數；
（3）立體幾何；

3. 計算機：
（1）CAD軟件；

 

4. 物理：
（1）基礎物理（力學）

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