What is computational fluid dynamics and how is it used in medical applications?

Computational fluid dynamics (CFD) uses numerical analysis methods to model fluid flow and simulate realistic conditions. In medical applications, CFD analyzes blood flow in patient vasculature to predict disease progression and model treatment scenarios for conditions including coronary heart disease, arteriovenous malformations, and aneurysms. CFD provides physicians guidance for diagnostics and different treatment options.

How are blood vessel geometries obtained for CFD simulations?

Blood vessel geometries are obtained using imaging techniques such as magnetic resonance angiography (MRA) and X-ray fluoroscopy. These methods outline the patient's blood vessel geometry and define flow boundary conditions. The blood velocity data are then segmented into voxels, which are units defining 3D space, and the phase shift is obtained at each voxel to determine 3D flow velocity.

What are the Navier-Stokes equations and why are they important in CFD?

The Navier-Stokes (NS) equations are the governing equations of fluid motion that determine velocity and pressure distributions in blood flow. They account for density, velocity, pressure, and dynamic viscosity of the flow. These equations are numerically solved to produce high-resolution hemodynamic predictions in patient-specific vessel models.

How does CFD improve upon direct blood flow measurements?

Direct measurements of intraluminal pressure, wall shear stress, and particle residence time are difficult to acquire in vivo. CFD allows these hemodynamic variables to be assessed non-invasively with superior resolution. It can distinguish high-speed jets from slow recirculating vortices observed in diseased blood vessels, providing comprehensive depiction of patient-specific flow fields.

What software tools are used to process vessel data and run CFD simulations?

Open-source software such as vmtk launcher and ParaView are used for image segmentation and visualization. ParaView separates voxels containing flow data from stationary tissue and determines boundary conditions. Commercial software like ANSYS Fluent imports the volume mesh and transient flow waveforms from 4D flow MRI measurements to run the CFD simulation.

How can CFD simulations help physicians plan surgical interventions?

CFD is used to simulate surgical techniques such as arterial clipping, which provides physicians better foresight regarding post-operative flow conditions. Simulations can visualize the effects of procedures on flow dynamics before surgery. This allows physicians to compare different treatment scenarios and choose the approach most likely to improve hemodynamic conditions.

What hemodynamic factors affect the development of vascular diseases?

Hemodynamic conditions within the vasculature significantly affect the development and progression of arterial diseases, including atherosclerosis and aneurysms. CFD simulations reveal complex recirculating flow patterns and stagnant flow regions that contribute to disease formation. Understanding these flow dynamics helps identify risk factors and guide treatment strategies for vascular dysfunction.

محاكاة ديناميكيات السوائل الحسابية لتدفق الدم في تمدد الأوعية الدموية الدماغية

0 مشاهدة12:39 دقيقة

مقدمة البرنامج التعليمي هي إنشاء نموذج الأوعية الدموية الخاص بالمريض. في هذا العرض التوضيحي ، تم استخدام أدوات Materialise Mimics و 3D Systems Geomagic Design X و Altair HyperMesh لإنشاء شبكة حجم رباعية السطوح من بيانات MRA.

1. إنشاء خطوط مركزية للسفينة للنموذج

افتح واجهة المستخدم الرسومية (GUI) الخاصة ب python vmtk-launcher. في PypePad، اكتب: vmtkcenterlines -ifile [ملف STL المحفوظ على سطح المكتب].stl -ofile [اسم STL]centerlines.vtp
حدد Run, Run all لتحميل البيانات في البرنامج. سيتم فتح نافذة جديدة تعرض التعليمات وعرض نموذج الإدخال. قم بتدوير النموذج وضع المؤشر على كل موقع مدخل. اضغط على مفتاح المسافة لوضع بذرة.
بعد وضع البذور على جميع المداخل ، اضغط على "Q" للمتابعة. كرر نفس وضع البذور لجميع المنافذ. بعد وضع بذور المخرج ، اضغط على "Q" مرة أخرى واترك البرنامج يعمل. سيؤدي هذا إلى حفظ ملف الخط المركزي على سطح المكتب.

2. إعداد البيانات في برنامج التصور

ابدأ تشغيل أداة التصور مفتوحة المصدر ، ParaView (الإصدار 5.4.1 المستخدم في هذا الإجراء).
حدد File وOpen...، وحدد موقع الملفات التي تم إنشاؤها مسبقا: شبكة وحدة التخزين الخاصة بالمريض، وملف (ملفات) خط الوسط وملف (ملفات) EnSight.case. بعد النقر فوق موافق ، يجب تحميل جميع البيانات في الواجهة.
من الجدول الخصائص في أسفل يسار الصفحة، حدد تطبيق. سيقوم هذا الأمر بتحميل وقراءة جميع المعلومات التي قام المستخدم بتحميلها أو تغييرها في ParaView. قم بتمييز شبكة وحدة التخزين بالنقر فوق اسمها داخل متصفح خط الأنابيب لتنشيط هذا التحديد.
مرة أخرى ، في جدول الخصائص ، قم بالتمرير وتغيير قيمة التعتيم إلى مكان ما بين 0.2 - 0.5 . الآن ، يجب أن تكون الخطوط المركزية والعروض الهندسية مرئية.

3. أعد تعيين بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي 4D Flow باستخدام الشبكة الحجمية واحذف الضوضاء

من القائمة العلوية، حدد عوامل التصفية، الأبجدي، ResampleWithDataset. سيتم فتح نافذة جديدة. قم بتعيين المصدر كشبكة وحدة التخزين والإدخال كملف EnSight.case. حدد موافق بمجرد تعيينها.
في جدول الخصائص، حدد تطبيق لتطبيق عامل التصفية.
كما كان من قبل ، قم بتمييز الاسم الجديد ResampleWithDataset# لتنشيطه. قلل من عتامة هذا العرض الجديد كما هو مذكور سابقا. بالإضافة إلى ذلك ، قم بتغيير خط (خطوط) الوسط من Surface إلى Points في القائمة العلوية.

4. تحديد شروط حدود تدفق المدخل والمخرج

على الجانب الأيمن من الواجهة، بجوار تكبير وتقليل خيارات العرض، حدد الأداة إنشاء عرض} (مربع مع خط عمودي). حدد الخيار عرض جدول البيانات.
من المربع المنسدل عرض، حدد ملف (ملفات) الخط المركزي . يمكن تحديد نوع واحد فقط من الملفات في كل مرة. قم بالتنقل بين البيانات ، وحدد نقاطا مختلفة لتحديد موقع داخل كل مدخل ومنفذ.
الآن ، استخدم عرض جدول البيانات أسفل النقاط لحساب المتجه العادي بين نقطتين بالقرب من نفس المواقع الموجودة في (4.2).
بعد العثور على المتجه العادي لكل موقع مدخل ومخرج ، حدد المرشحات ، الأبجدية ، شريحة . تأكد من تنشيط ResampleWithDataset# مسبقا.
يجب أن يظهر عامل التصفية Slice أسفل فرع جديد قادم من ResampleWithDataset#. في جدول الخصائص ، قم بتعيين المستوى Origin كنفس موقع نقطة XYZ لإحدى النقطتين المستخدمتين لحساب المتجه العادي. استخدم المتجه العادي من (4.3) لملء قيم Normal. حدد تطبيق.
قم بتمييز/تنشيط مرشح Slice # الذي تم إنشاؤه للتو، وحدد المرشحات و الأبجدية و Surface Flow ثم Apply. قم بتنشيط عنصر SurfaceFlow# الجديد في متصفح خط الأنابيب، وقم بتطبيق المرشحات، الأبجدي، خطوات وقت المجموعة، تطبيق.
في طريقة عرض جدول البيانات، افتح بيانات GroupTimeSteps#. قم بتصدير هذه البيانات إلى Microsoft Excel من خلال النسخ واللصق أو استخدام تصدير جدول البيانات.
في Excel ، احسب القيم المرجحة المقابلة لنسبة معدل التدفق عند كل منفذ إلى إجمالي معدل تدفق المدخل. نظرا للضوضاء المتأصلة والخطأ في بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي 4D Flow ، حدد أصغر وعاء (يحتوي بشكل عام على بيانات أقل موثوقية) لتركه "مفتوحا" لضمان الحفاظ على الكتلة.
في برنامج محاكاة CFD ، يتم استيراد أشكال موجات التدفق العابر باستخدام الأمر read-transient-tables ; لذلك، احفظ بيانات تدفق المدخل بتنسيق متوافق .txt الموضح في البرامج التعليمية عبر الإنترنت.

5. إعداد محاكاة العقود مقابل الفروقات

افتح برنامج محاكاة العقود مقابل الفروقات. هنا نستخدم ANSYS Fluent (الإصدار 18.1 الموصوف في هذا الإجراء كافتراضي). اختر File و Read و Case...، وافتح ملف volumemesh .cas المستخدم سابقا في ParaView. اعرض الشبكة (يستخدم هذا الإجراء ملف .cas تم إنشاؤه باستخدام Altair HyperMesh) عن طريق تحديد Display..., Display.
من المهم قياس الهندسة لضمان الحجم المادي الصحيح للنموذج. حدد Scale... وقم بتطبيق أي تحويل للوحدة ضروري للحالة المحددة ثم Close.
حدد المواد ، إنشاء / تحرير لإدخال خصائص المواد للدم. يستخدم هذا البرنامج التعليمي قيما ذات صلة من الناحية الفسيولوجية تبلغ 1060 كجم / ثانية و 0.0035 كجم / مللي ثانية للكثافة واللزوجة ، على التوالي.
قم بتعيين التدفق العابر الشروط الحدودية عن طريق وصف إما التدفق الكتلي أو معدلات تدفق السرعة كدالة للوقت لكل مدخل. استخدم أشكال الموجة التي تم الحصول عليها من قياس التصوير بالرنين المغناطيسي 4D Flow لوصف ظروف حدود المدخل. يتم إعطاء المنافذ قيما مرجحة موجودة في (4.8).
تحت الحل ، الطرق ، قم بتعيين المخططات العددية المستخدمة للتمييز المكاني والزماني لمعادلات Navier-Stokes. بالنسبة لهذا الإجراء ، استخدم مقترن ، والذي يتيح اقتران السرعة الكاملة للضغط ، المربع الأصغر القائم على الخلية (التدرج) ، مخطط الدرجة الثانية للضغط ، مخطط MUSCL من الدرجة الثالثة لمعادلات الزخم ، و مخطط ضمني من الدرجة الثانية للتمييز في الوقت المناسب. تأكد من تعيين المعلمة Time في أعلى اليمين إلى عابر.
ضمن الحل، التهيئة، حدد التهيئة القياسية. مع تعيين جميع القيم الأولية على 0، حدد تهيئة. الآن تم تعيين البرنامج للتشغيل. قم بتعيين مجلد حل لحفظ النتائج كل حفظ تلقائي كل (خطوات زمنية) أسفل أنشطة الحساب.
في الخطوات النهائية، قم بإعداد حجم الخطوة الزمنية(s) ضمن تشغيل الحساب. استخدم بيانات شرط حدود Excel في (4.7) لتحديد هذه القيمة. يسهل تقليل الخطوة الزمنية التقارب ويحسن دقة الحل العددي ، مع زيادة وقت الحل. من الممارسات الجيدة تشغيل المحاكاة لمدة ثلاث دورات قلبية كاملة على الأقل للتخلص من تأثير العابرين الأوليين.
أخيرا ، قم بتعيين الحد الأقصى للتكرارات لكل خطوة زمنية بين 300 - 500 . سيقوم البرنامج تلقائيا بإيقاف التكرارات في كل خطوة زمنية بمجرد الوصول إلى التقارب والمتابعة إلى الخطوة الزمنية التالية. يمكن تحسين التقارب عن طريق تشغيل محاكاة التدفق الثابت بقيم السرعة المتوسطة ثم استخدام النتائج كشروط أولية لمحاكاة التدفق النابض. حدد حساب عندما تكون جاهزا لتشغيل المحلل.
سيقوم البرنامج بتشغيل كل تكرار حتى يتم تحقيق التقارب أو الحد الأقصى للتكرارات يتسبب في استمرار التكرار. سيتم حفظ الملفات تلقائيا في الموقع من (5.5) ، ويمكن تصور بيانات الحل إما في برنامج ANSYS CFD-Post أو ParaView.