CAD 是一切設計的核心:人工心臟的 3D 建模

人工心臟與 3D 設計

PLS 人工心臟從汽車零件到家居產品,再到醫療設備等,幾乎各種產品在開發過程中,都會牽涉到 3D 建模。也許 3D 建模最令人驚奇的應用之一,就是用來設計人工心臟,而 Creo CAD 3D 建模軟體正好站在這項頂尖技術的浪潮上。

人工心臟的需要

以下將就心臟移植與市場對於人工心臟快速成長的需求,提供簡要的統計分析:

  • 根據世界衛生組織所述,心臟病是世界上最主要的死亡原因,每年奪走了 740 萬人的生命。
  • 世人對於心臟捐贈的需求快速暴增,但是可供移植的心臟數字卻是不增反減。
  • 根據美國衛生與公眾服務部以及歐洲健康委員會預估,目前美國與歐洲分別有 4000 及超過 3000 人正等候心臟捐贈。
  • 在獲得心臟捐贈之前,人工心臟主要用於維繫病人生命。人工心臟自 45 年前問世以來,迄今只有 1,413 個移植案例 (每年大約 30 例)。

由於下列原因,使得醫師寧願捨棄原尺寸的人工心臟不用,而遷就於心室輔助器 (VAD) 來協助病患使用自己的心臟來泵送血液:

  • 人工心臟經常會遭到病患身體排斥,
  • 它不但會阻礙血流,還會引發中風。
  • 人工心臟非常昂貴 (每個大約要價 25 萬美元)。
  • 人工心臟通常會比人類心臟要大上兩倍。
  • 不但非常容易感染,移植後的各種風險也會升高。

3D 建模與人工心臟設計

為了快速研發下一代人工心臟來因應這些問題,Takashi Isoyama 與東京大學研究所的一群研究人員正使用 3D CAD 軟體來打造心臟模型,並利用動畫來呈現心臟血流的方式。與 2D CAD 相比,3D 模型讓渦輪泵浦葉片的設計流程加速完成。

東京團隊使用 Creo 軟體設計一款內含轉軸與軸承的非接觸式旋轉泵浦。Isoyama 表示,3D 模型讓整個流程加快進行,而且更容易將計畫匯出到像是 ANSYS 的電腦輔助工程軟體以進入下一個步驟:零件精密加工。

Isoyama 的人工心臟設計,亦即螺旋流全人工心臟,已經成功植入一隻山羊體內 (並成功讓該隻山羊存活 100 天),而動物用的最終模型預計將於 2016 年完成,而再過 5 年也許就能開發出人類心臟模型。

PTC 對於自家先進的 3D 建模與模擬技術能夠成為人工心臟科技的一環,並在未來用來拯救人類生命感到相當驕傲。

照片提供:東京大學