主動(dòng)脈縮窄 (CoA) 是最常見的先天性心臟缺陷之一，是將血液從心臟輸送到身體其他部位的主動(dòng)脈變窄。在美國，它每年影響超過 1,600 名新生兒，并可能導(dǎo)致高血壓、早發(fā)冠狀動(dòng)脈疾病、動(dòng)脈瘤、中風(fēng)和心力衰竭等健康問題。
為了更好地了解 CoA 患者的風(fēng)險(xiǎn)因素，包括前勞倫斯研究員和她在勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室 (LLNL) 的導(dǎo)師在內(nèi)的大型研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)、3D 打印和高性能計(jì)算模擬來準(zhǔn)確建模主動(dòng)脈中的血液流動(dòng)。使用在 3D 打印脈管系統(tǒng)上驗(yàn)證的模型，該團(tuán)隊(duì)能夠預(yù)測(cè)生理因素(例如勞累、抬高甚至懷孕)對(duì) CoA 的影響，CoA 會(huì)迫使心臟更加用力地泵血以將血液輸送到身體。該工作發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志上。
這項(xiàng)工作是由當(dāng)時(shí)的勞倫斯研究員 Amanda Randles(現(xiàn)為杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)助理教授 Mordecai)和她的導(dǎo)師 LLNL 計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Erik Draeger 提議作為 LLNL 的機(jī)構(gòu)計(jì)算大挑戰(zhàn)項(xiàng)目，這項(xiàng)工作代表了迄今為止最大的模擬研究CoA，涉及在 LLNL 的 Blue Gene/Q Vulcan 超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的超過 7000 萬計(jì)算小時(shí)的 3D 模擬。
德爾格說：“你可以進(jìn)行這些模擬，真正了解這種情況對(duì)患者產(chǎn)生的實(shí)際影響范圍，而不僅僅是患者坐在醫(yī)生辦公室休息時(shí)出現(xiàn)的因素。”“它還描述了一種協(xié)議，盡管你仍然需要進(jìn)行模擬，但你不需要進(jìn)行所有配置。這種類型的研究真正有趣的事情之一是，直到你可以做到這一水平“在模擬過程中，你必須遵循平均結(jié)果。而有了這個(gè)，你可以拍攝該特定人的主動(dòng)脈圖像并模擬主動(dòng)脈壁上的壓力。”
在 Vulcan 上，德爾格、蘭德斯和他們的團(tuán)隊(duì)對(duì)主動(dòng)脈狹窄進(jìn)行了模擬，狹窄是心臟左側(cè)的狹窄，會(huì)在主動(dòng)脈和身體其他部位產(chǎn)生壓力梯度。模擬使用了 Randles 開發(fā)的名為 HARVEY 的流體動(dòng)力學(xué)軟件來模擬血流，并在從計(jì)算機(jī)斷層掃描和 MRI 掃描中得出的主動(dòng)脈 3D 幾何形狀上運(yùn)行。由于主動(dòng)脈太大并且流動(dòng)非?；靵y，擁有生物醫(yī)學(xué)模擬和 HPC 背景的 Randles 重寫了 HARVEY 代碼，以最大限度地提高 Vulcan 的性能，這樣團(tuán)隊(duì)就可以運(yùn)行準(zhǔn)確建模所需的大量模擬。
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