? ? ? ?據(jù)傳，量子力學(xué)奠基人之一、德國(guó)著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者海森堡臨終前曾在病榻上說(shuō)過(guò)一句話：“當(dāng)我見到上帝后,我一定要問(wèn)他兩個(gè)問(wèn)題——什么是相對(duì)論，什么是湍流。我相信他只對(duì)第一個(gè)問(wèn)題應(yīng)該有了答案?！蓖牧鲉?wèn)題作為經(jīng)典物理學(xué)中最后一個(gè)未解的百年難題，至今仍未完全解決。但是，湍流問(wèn)題的核心機(jī)理（如奇點(diǎn)理論）已取得突破性進(jìn)展[1]，并且作為解決湍流問(wèn)題的重要工具之一的計(jì)算流體力學(xué) (Computational Fluid Dynamics, 簡(jiǎn)寫CFD) 近年來(lái)得到了快速的發(fā)展，不僅為湍流問(wèn)題的最終解決帶來(lái)了曙光，更應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，提高社會(huì)生產(chǎn)效率，提升人類生活質(zhì)量。

圖1 海森堡的博士論文

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什么是CFD？

CFD（Computational Fluid Dynamics），即計(jì)算流體力學(xué)，是一門用數(shù)學(xué)方程和計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬流體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。它通過(guò)將流體力學(xué)的基本方程（如納維-斯托克斯方程）離散化，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)求解，從而在虛擬世界中重現(xiàn)復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象[2]。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，CFD就是給流體裝上“數(shù)字眼睛”，讓我們無(wú)需依賴昂貴的物理實(shí)驗(yàn)，就能在電腦上觀察、分析和優(yōu)化流體的行為。

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CFD技術(shù)成熟可靠

經(jīng)過(guò)60余年發(fā)展，CFD已從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)一線，成為工程決策的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”：

1、理論扎實(shí)：基礎(chǔ)方程經(jīng)無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)值算法（如有限體積法、LES湍流模型）高度成熟。

2、軟件生態(tài)完善：ANSYS Fluent、COMSOL、OpenFOAM等工具覆蓋從科研到工業(yè)的全場(chǎng)景需求。

3、行業(yè)認(rèn)證：

航空領(lǐng)域：CFD模擬結(jié)果可直接用于飛機(jī)適航認(rèn)證；

汽車領(lǐng)域：全球車企用CFD優(yōu)化車身風(fēng)阻，降低油耗5%-15%；

醫(yī)療領(lǐng)域：美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局FDA已認(rèn)可CFD作為醫(yī)療器械設(shè)計(jì)的輔助證據(jù)[3]。

圖2 CFD模擬飛機(jī)空氣流動(dòng)的流線圖和壓力場(chǎng)分布

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CFD技術(shù)應(yīng)用廣泛

1、航空航天：讓飛行更高效、更安全

優(yōu)化飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)，降低空氣阻力，減少燃油消耗；

模擬火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)，提高推進(jìn)效率。

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2、能源與環(huán)境：為地球“把脈”

設(shè)計(jì)高效風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，最大化風(fēng)能利用；

預(yù)測(cè)污染物在大氣或水體中的擴(kuò)散路徑，助力環(huán)境治理。

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3、生物醫(yī)學(xué)：守護(hù)生命健康

模擬血液在血管中的流動(dòng)，輔助冠心病診療，優(yōu)化人工心臟瓣膜設(shè)計(jì)；

分析藥物在人體內(nèi)的輸送過(guò)程，提高治療效果。

圖3 CFD模擬血液在狹窄血管中的流速分布圖[4]

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4、汽車工業(yè)：打造更智能的交通工具

優(yōu)化車身空氣動(dòng)力學(xué)，降低風(fēng)阻與噪音；

模擬電池組散熱，提升電動(dòng)汽車的安全性與續(xù)航能力。

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5、日常生活：無(wú)處不在的CFD

優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)氣流，提升室內(nèi)舒適度；

冬奧速滑服表面紋理設(shè)計(jì)，助力運(yùn)動(dòng)員減少風(fēng)阻。

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CFD+AI的創(chuàng)新應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CFD正迎來(lái)新的突破：

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舉例來(lái)說(shuō)，在醫(yī)療領(lǐng)域，睿心醫(yī)療憑借自研的AI+3D-CFD技術(shù)，打造出軟硬件一體化心血管智能診療平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了冠心病篩查、檢測(cè)、診斷、治療、隨訪全流程的智能化診療和管理。其中，睿心醫(yī)療推出的睿心分?jǐn)?shù)RuiXin-FFR是全球首款基于人工智能AI+3D-CFD技術(shù)的CT-FFR產(chǎn)品，可對(duì)冠狀動(dòng)脈血管進(jìn)行三維重建以及對(duì)心外膜冠狀動(dòng)脈狹窄功能性評(píng)價(jià)的“金標(biāo)準(zhǔn)”——血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)(FFR,Fractional Flow Reserve)FFR值計(jì)算，是從形態(tài)學(xué)和功能學(xué)兩方面綜合評(píng)估冠狀動(dòng)脈病變的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)。

相比其他廠商使用的技術(shù)路線，睿心分?jǐn)?shù)RuiXin-FFR的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要為對(duì)血流的還原程度高，因此FFR值計(jì)算精準(zhǔn)度更高，基本與有創(chuàng)壓力導(dǎo)絲測(cè)量結(jié)果一致。經(jīng)全球最大規(guī)模前瞻性臨床試驗(yàn)驗(yàn)證，睿心分?jǐn)?shù)RuiXin-FFR的準(zhǔn)確率92%、敏感度95%、特異度90%[5]，全面領(lǐng)先行業(yè)其他技術(shù)方案。

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不僅如此，睿心分?jǐn)?shù)RuiXin-FFR另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，是適用于各種冠狀動(dòng)脈解剖結(jié)構(gòu)和復(fù)雜病變。這背后的核心原因在于睿心醫(yī)療的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)具有美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)、斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院、GE、西門子等頂尖教育背景和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。眾所周知，前兩所高校在流體力學(xué)研究上全球領(lǐng)先。創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)從美國(guó)深造歸國(guó)后，將其3D-CFD與AI領(lǐng)域的科研成果進(jìn)一步融合優(yōu)化，賦能睿心醫(yī)療一體化解決方案，構(gòu)筑了公司深厚的技術(shù)護(hù)城河。

睿心分?jǐn)?shù)RuiXin-FFR為冠心病精準(zhǔn)診療帶來(lái)了眾多獲益，用領(lǐng)先科技守護(hù)患者心血管健康。對(duì)醫(yī)院來(lái)說(shuō)，睿心分?jǐn)?shù)RuiXin-FFR可實(shí)現(xiàn)高、中、低?；颊呔珳?zhǔn)分層管理，避免不必要的漏診，從而提高醫(yī)院診斷冠心病的金標(biāo)準(zhǔn)——有創(chuàng)冠狀動(dòng)脈造影（ICA）的使用效率，提升血運(yùn)重建手術(shù)質(zhì)量，提升住院患者病種質(zhì)量。目前，睿心分?jǐn)?shù)RuiXin-FFR臨床應(yīng)用覆蓋全國(guó)800+家三甲醫(yī)院，已實(shí)現(xiàn)61000+例患者安全使用，完成100+醫(yī)院準(zhǔn)入。

不僅是睿心分?jǐn)?shù)RuiXin-FFR，睿心醫(yī)療的一體化心血管智能診療生態(tài)已全部搭載AI+3D-CFD技術(shù)，包括一站式宏觀與微觀冠脈功能檢測(cè)系統(tǒng)——睿心造影FFR RuiXin-Angio QFA100、冠脈CT造影圖像血管狹窄輔助評(píng)估軟件——智慧脈RuiXin-Coronary AI、心血管手術(shù)計(jì)劃輔助決策平臺(tái)RuiXin-Planner、介入手術(shù)機(jī)器人、鈣化積分智能評(píng)估系統(tǒng)RuiXin-CaScore、三維可視化醫(yī)學(xué)圖像處理軟件等。這些創(chuàng)新產(chǎn)品共同構(gòu)建了一個(gè)覆蓋冠心病診療全流程的智能化解決方案，不僅顯著提升了診斷的精準(zhǔn)性和治療的高效性，為醫(yī)生提供了更全面的決策支持，為患者帶來(lái)了更精準(zhǔn)、安全、個(gè)性化的診療體驗(yàn)，真正實(shí)現(xiàn)了從“精準(zhǔn)診斷”到“智能治療”的閉環(huán)管理。

睿心醫(yī)療一體化心血管智能診療解決方案

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從達(dá)芬奇手稿中的漩渦草圖，到今日每秒萬(wàn)億次計(jì)算的CFD仿真，人類用智慧將流體的混沌之美，化作改變世界的精確力量。

圖4 達(dá)芬奇手稿

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CFD不僅是一門科學(xué)，更是一種思維方式——用數(shù)字化、智能化的手段，探索未知，預(yù)見未來(lái)。

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參考文獻(xiàn)

[1] Dou H S.Singularity of Navier-Stokes Equations Leading to Turbulence [J].2018.DOI:10.48550/arXiv.1805.12053.

[2]?陳江濤,肖維,趙煒,等.計(jì)算流體力學(xué)驗(yàn)證與確認(rèn)研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2023,53(03):626-660.

[3] FDA. (2020). Computational Fluid Dynamics in Medical Device Design. Guidance for Industry.

[4] Taylor C A , Fonte T A , Min J K .Computational Fluid Dynamics Applied to Cardiac Computed Tomography for Noninvasive Quantification of Fractional Flow Reserve[J].Journal of the American College of Cardiology,2013,61(22):2233-2241.DOI:10.1016/j.jacc.2012.11.083.

[5]?Diagnostic accuracy of CT-FFR with a new coarse-to-fine subpixel algorithm in detecting lesion-specific ischemia: a prospective multicenter study.Rev Esp Cardiol (Engl Ed). 2024 Feb;77(2):129-137.

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