محاكاة ديناميكيات السوائل الحسابية لتدفق الدم في تمدد الأوعية الدموية الدماغية

تستخدم المحاكاة الديناميكية للسوائل الحسابية لتحليل تدفق الدم في الأوعية الدموية للمريض لتوجيه التشخيص والعلاج. تستخدم ديناميكيات السوائل الحسابية ، أو CFD ، طرق التحليل العددي لنمذجة تدفق السوائل ومحاكاة الظروف الواقعية للعديد من سيناريوهات التدفق المختلفة ، مثل تدفق السوائل حول طائرة عالية السرعة ، من خلال شبكات الأنابيب المعقدة ، وداخل نظام القلب والأوعية الدموية لدينا.

في التطبيقات الطبية ، يتم استخدام تقنيات التصوير المختلفة للحصول على هندسة الأوعية الدموية. ثم يتم إجراء عمليات محاكاة CFD ، والتي تستخدم للتنبؤ بتطور المرض ونمذجة سيناريوهات العلاج لاختلالات الأوعية الدموية ، بما في ذلك أمراض القلب التاجية والتشوهات الشريانية الوريدية وتمدد الأوعية الدموية.

سيوضح هذا الفيديو مبادئ CFD ، ويوضح كيفية استخدام هندسة الأوعية الدموية لنمذجة ديناميكا الدم عالية الدقة ، ومناقشة بعض تطبيقات CFD.

أولا ، دعنا نفهم ديناميكيات القلب والأوعية الدموية ومبادئ CFD.

تصف ديناميكا الدم القلبية الوعائية ديناميكيات تدفق الدم في القلب ، بما في ذلك من خلال البطينين الأيمن والأيسر والأذينين ، وتدفق الدم في الأوعية من القلب إلى بقية الجسم. يمكن تصور شبكات الأوعية الدموية المعقدة باستخدام تصوير الأوعية بالرنين المغناطيسي وقياس السرعة أو التنظير الفلوري بالأشعة السينية. تحدد هذه الطرق هندسة الأوعية الدموية للمريض وتحدد شروط حدود التدفق.

بمجرد الحصول على ذلك ، يتم تقسيم بيانات سرعة الدم إلى فوكسل ، وهي وحدات من المعلومات الرسومية تحدد مساحة ثلاثية الأبعاد ، ويتم الحصول على تحول الطور عند كل فوكسل. تعتمد هذه على النسبة المغناطيسية الجيروسكوبية ، والمجال المغناطيسي الرئيسي ، ومجال التدرج المطبق ، وموضع الدوران. وهذا بدوره يعتمد على الموضع الأولي للدوران وسرعة الدوران وتسارع الدوران. تاو هو الوقت الذي يحدد البعد الرابع.

يتم تحديد هذه المعلمات بواسطة التصوير بالرنين المغناطيسي والمدخلات في محاكاة العقود مقابل الفروقات. يتم تحديد سرعة التدفق ثلاثية الأبعاد عن طريق حل معادلات Navier-Stokes أو NS عدديا. معادلات NS هي المعادلات الحاكمة لحركة السوائل التي يتم حلها لتحديد توزيعات السرعة والضغط. يأخذون في الاعتبار الكثافة والسرعة والضغط واللزوجة الديناميكية للتدفق.

سنرى الآن كيف يتم تطبيق مبادئ ديناميكيات السوائل هذه على الأشكال الهندسية الحقيقية للأوعية الدموية لإنتاج محاكاة عالية الدقة لعقود الفروقات.

قبل البدء ، قم بإنشاء نموذج الأوعية الدموية الخاص بالمريض من بيانات MRA. يمكن القيام بذلك باستخدام برنامج مفتوح المصدر لتجزئة الصور.

لهذا العرض التوضيحي ، تم إنشاء شبكة حجم رباعي السطوح. افتح الآن واجهة المستخدم الرسومية (GUI) لمشغل vmtk. في PypePad ، أدخل اسم الملف الضروري. سيقوم الأمر bare bones هذا بسحب ملف STL للإدخال من سطح المكتب. حدد تشغيل ، تشغيل الكل لتحميل البيانات في البرنامج. سيتم فتح نافذة جديدة تعرض التعليمات وعرض نموذج الإدخال.

قم بتدوير النموذج وضع المؤشر على كل موقع مدخل. اضغط على شريط المسافة لوضع بذرة على مدخل واحد. كرر هذا لجميع المداخل. ثم اضغط على Q للمتابعة. كرر الآن نفس وضع البذور لجميع المنافذ. اضغط على Q مرة أخرى واترك البرنامج يعمل. سيتم إنشاء ملف الخط المركزي وحفظه على سطح المكتب.

نحن الآن على استعداد لاستخدام أداة التصور مفتوحة المصدر ParaView لفصل voxels التي تحتوي على بيانات التدفق عن الأنسجة الثابتة. حدد موقع الملفات التالية: شبكة وحدة التخزين الخاصة بالمريض وملفات Centerline وملفات EnSight.case وانقر فوق موافق لتحميل البيانات على الواجهة. انتقل إلى جدول الخصائص وحدد تطبيق لتحميل جميع المعلومات وقراءتها. ثم قم بتمييز الشبكة الحجمية في متصفح خط الأنابيب.

في جدول الخصائص، قم بتغيير قيمة التعتيم إلى ما بين 0.2 و0.5. يجب أن تكون الخطوط المركزية والعرض الهندسي مرئية الآن. بعد ذلك ، انتقل إلى القائمة العلوية وحدد عوامل التصفية ، الأبجدية ، إعادة التشكيل مع مجموعة البيانات ، وقم بتعيين المصدر كشبكة وحدة التخزين والإدخال كملف EnSight.case. انقر فوق موافق للمتابعة، وقم بتطبيق عامل التصفية في جدول الخصائص. بعد ذلك ، قم بتمييز إعادة التشكيل الجديدة باستخدام مجموعة البيانات وتقليل التعتيم.

من القائمة العلوية، قم بتغيير الخطوط المركزية من Surface إلى Points. لتحديد شروط الحدود، انتقل إلى الجانب الأيمن من الواجهة وحدد أداة إنشاء عرض Split Horizontal Deploy. اختر خيار عرض جدول البيانات. من المربع المنسدل إظهار ، حدد ملف Centerline وقم بالتنقل بين الملفات ، وحدد نقاطا مختلفة لتحديد موقع داخل كل مدخل ومنفذ. استخدم الآن عرض جدول البيانات لحساب المتجه العادي بين نقطتين.

بعد العثور على المتجه ، قم بتنشيط ResampleWithDataset وحدد عوامل التصفية ، الأبجدية ، الشريحة. تأكد من ظهور عامل تصفية Slice ، ثم انتقل إلى جدول الخصائص وقم بتعيين أصل المستوى على أنه نفس موقع نقطة X و Y و Z لإحدى النقطتين المستخدمتين لحساب المتجه العادي. استخدم هذا لملء القيم العادية، ثم حدد تطبيق. قم بتنشيط عامل تصفية Slice الذي تم إنشاؤه حديثا وحدد عوامل التصفية، الأبجدي، التدفق السطحي. انقر فوق تطبيق، ثم قم بتنشيط عنصر Surface Flow الجديد، متبوعا بعوامل التصفية، والحروف الأبجدية وخطوات وقت المجموعة، وتطبيق.

في طريقة عرض جدول البيانات، افتح بيانات GroupTimeSteps واستخدم تصدير جدول البيانات أو نسخ ولصقها لتصدير هذه البيانات إلى Microsoft Excel. ضمن ParaView، حدد الخطوات الزمنية وحجم الخطوة الزمنية عن طريق التنقل عبر الوقت. بالنسبة للمحاكاة، نريد أن تبدأ الدورة القلبية في وقت يساوي صفرا. لذلك ، قم بإنشاء المقياس الزمني المناسب. ثم قم بتنشيط مرشح Slice وحدد المرشحات ، الأبجدية ، تكامل المتغيرات.

من النافذة المنبثقة، قم بتغيير السمة لعرض بيانات الخلية. يوفر لك هذا مساحة المقطع العرضي لشريحة المدخل. لجعل بيانات التدفق متوافقة مع ANSYS Fluent ، حدد المقياس الزمني بوحدات الثواني وسرعة المدخل بوحدات متر في الثانية.

يجب أن يحتوي السطر الأول على اسم بيانات وعدد من الأعمدة وعدد الصفوف ومشغل ثنائي للتكرار. يحتوي السطر التالي على أسماء كل عمود من أعمدة البيانات. يتم تعيين سرعات التدفق ، وليس المعدلات ، أسفل رأس العمود المعني. من أجل محاكاة دورات القلب المتعددة بسلاسة ، يجب أن تكون قيم السرعة الأولية والنهائية متكافئة.

اختر ملف، قراءة، حالة، وافتح ملف .cas mesh وحدة التخزين الذي تم استخدامه سابقا. حدد المربع الخاص بشبكة العرض بعد القراءة لإظهار الشبكة بمجرد استيرادها. حدد مقياس وقم بتطبيق تحويل الوحدة الضروري لضمان الحجم الفعلي الصحيح للنموذج. حدد إنشاء / تحرير المواد ، وإدخال خصائص المواد للدم.

الآن ، حدد نافذة أوامر وحدة التحكم وملف الإدخال / . استخدم read-transient-table لاستيراد أشكال موجة التدفق العابر الموجودة في نفس موقع ملف .cas لشبكة وحدة التخزين. استخدم الأشكال الموجية التي تم الحصول عليها من قياسات التصوير بالرنين المغناطيسي للتدفق رباعي الأبعاد لتعيين ظروف حدود المدخل. ثم استخدم نسبة مرجحة من المدخل إلى المخرج لضبط شروط حدود المخرج.

قم بتعيين المخططات العددية المستخدمة في اقتران سرعة الضغط وتمييز معادلات Navier-Stokes. ثم ، ضمن تهيئة الحل ، قم بتعيين جميع القيم الأولية إلى الصفر. ضمن أنشطة الحساب، قم بتعيين مجلد حل لحفظ النتائج وتحديد التكرار باستخدام الحفظ التلقائي، في كل مرة خطوات. ضمن تشغيل الحساب، قم بإعداد حجم الخطوة الزمنية من بيانات شروط حدود Excel. غالبا ما يكون من الأفضل تحديد خطوة زمنية أصغر والسماح ل Fluent بالاستيفاء كرر ذلك لمدة ثلاث دورات قلبية على الأقل.

أخيرا ، قم بتعيين التكرارات القصوى بين 300 و 500. سيقوم البرنامج تلقائيا بإيقاف التكرارات في كل خطوة زمنية بمجرد حدوث التقارب. بعد إعداد المحاكاة بالكامل، ارجع إلى التهيئة، التهيئة. ارجع إلى تشغيل الحساب وحدد حساب لتشغيل المحلل. يمكن الآن تصور بيانات الحل إما في برنامج ANSYS CFD-Post أو ParaView.

سنقوم الآن بفحص بعض البيانات التمثيلية. فيما يلي مثال على تمدد الأوعية الدموية الدماغية. من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي للتدفق 4D ، تم الكشف عن أنماط تدفق معقدة معاد تدويرها داخل منطقة تمدد الأوعية الدموية. ومع ذلك ، فإن الدقة محدودة في مناطق التدفق الراكد التي لوحظت في الجزء العلوي والسفلي من الآفة. بعد تشغيل محاكاة CFD ، تم الحصول على دقة أعلى لمجال السرعة ، خاصة بالقرب من جدران السفينة.

يمكن أيضا استخدام CFD لمقارنة ظروف التدفق المختلفة في نفس السفينة. على سبيل المثال ، تساعد محاكاة القص الجراحي للشريان الدماغي الأمامي الأيمن والأيسر في تصور تأثيرات الإجراء على ديناميكيات التدفق.

تعد المحاكاة الديناميكية للسوائل الحسابية لتدفق الدم أدوات مفيدة تستخدم في مختلف التطبيقات الطبية الحيوية.

على سبيل المثال ، تؤثر الظروف الديناميكية الدموية داخل الأوعية الدموية على تطور وتطور أمراض الشرايين ، بما في ذلك تصلب الشرايين وتمدد الأوعية الدموية. نظرا لأنه يصعب الحصول على القياسات المباشرة في الجسم الحي ، فإن CFD هي أداة بحث قياسية تستخدم لنمذجة ديناميكيات تدفق الدم. يمكن أن يوفر إرشادات الأطباء للتشخيص ، بالإضافة إلى سيناريوهات العلاج المختلفة.

علاوة على نمذجة الأوعية الدموية ، تعمل محاكاة CFD على محاكاة تدفق الهواء بناء على نماذج مجرى الهواء الأنفي. من المفيد بشكل خاص تصميم بروتوكولات لتوصيل الهباء الجوي الصيدلاني ، بطريقة كافية وخاضعة للرقابة ، إلى المناطق الشمية المستهدفة التي تتفاعل مباشرة مع الدماغ.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لديناميكيات السوائل الحسابية لمحاكاة تدفق الدم. يجب أن تفهم الآن كيف يمكن نمذجة ديناميكيات تدفق الدم عالية الدقة بناء على هندسة الأوعية ثلاثية الأبعاد. شكرا للمشاهدة!