脑动脉瘤中血流的计算流体动力学模拟

本教程的前期步骤是创建患者特异性的血管模型。在本演示中，使用 Materialise Mimics、3D Systems Geomagic Design X 和 Altair HyperMesh 工具，从 MRA 数据生成四面体体积网格。

1. 为模型生成血管中心线

1. 打开 vmtk-launcher 的 Python 图形用户界面。在 PypePad 中输入：vmtkcenterlines -ifile [保存到桌面的 STL 文件].stl -ofile [STL 文件名]centerlines.vtp
2. 选择 Run，然后选择 Run all 以将数据加载到程序中。此时将打开一个新窗口，显示操作说明和输入模型的渲染图像。旋转模型，并将光标移至每个入口位置，按下空格键放置一个种子点。
3. 在所有入口处放置种子点后，按“Q”键继续。对所有出口重复相同的种子点放置操作。放置完出口种子点后，再次按“Q”键，程序将开始运行。完成后，中心线文件将保存至桌面。

2. 可视化软件中的数据设置

1. 启动开源可视化工具 ParaView（本实验使用版本 5.4.1）。
2. 选择 文件、打开…，并定位之前创建的文件：患者特异性体积网格文件、中心线文件以及 EnSight.case 文件。点击 确定 后，所有数据应加载至界面中。
3. 在左下角的 属性 表格中，选择 应用。此命令将加载并读取用户在 ParaView 中已加载或更改的所有信息。在 流程浏览器 中单击体积网格的名称以高亮选中，激活该选择。
4. 再次在 属性 表格中滚动并调整 不透明度 值至 0.2 - 0.5 之间。此时，中心线和几何渲染结果应可见。

3. 使用体积分网格重新映射 4D 流动 MRI 数据并去除噪声

1. 从顶部菜单中选择 Filters（滤镜）、Alphabetical（按字母顺序）、ResampleWithDataset（使用数据集重采样）。新窗口将打开。将源设置为体网格，输入设置为 EnSight.case 文件。设置完成后，点击 Ok（确定）。
2. 在 Properties（属性）表中，选择 Apply（应用）以应用该滤镜。
3. 与之前相同，选中新的 ResampleWithDataset# 名称以激活它。如前所述，降低此新渲染结果的不透明度。此外，在顶部菜单中将中心线（中心线们）从 Surface（表面）更改为 Points（点）。

4. 确定入口和出口流动边界条件

1. 在界面右侧，最大化和最小化渲染选项旁边，选择 创建视图 工具（带垂直线的方块），然后选择 电子表格视图 选项。
2. 从 显示 下拉框中，选择 中心线文件。每次只能选择一种类型的文件。浏览数据，选择各个入口和出口中的不同点，以确定其位置。
3. 现在，使用 点 下方的 电子表格视图，计算在步骤（4.2）中找到的相同位置附近的两个点之间的法向量。
4. 在确定每个入口和出口位置的法向量后，选择 过滤器、按字母顺序、切片。请确保事先激活 ResampleWithDataset#。
5. 切片 过滤器需出现在源自 ResampleWithDataset# 的新分支下方。在 属性 表格中，将平面 原点 设置为用于计算法向量的两个点之一的相同 XYZ 坐标位置。使用步骤（4.3）中得到的法向量填写 法向 值，然后选择 应用。
6. 高亮/激活刚刚创建的 Slice# 过滤器，选择 过滤器、按字母顺序、表面流，然后选择 应用。在 流程浏览器 中激活新生成的 SurfaceFlow# 项，并应用 过滤器、按字母顺序、组合时间步、应用。
7. 在 电子表格视图 中，打开 GroupTimeSteps# 数据。通过复制粘贴或将数据导出至 Microsoft Excel，或使用 导出电子表格 功能进行导出。
8. 在 Excel 中，计算各出口流量与总入口流量之比对应的加权值。由于 4D 流 MRI 数据本身存在固有噪声和误差，需识别出最小的（通常数据可靠性较低）血管，将其保持 "开放" 状态，以确保质量守恒。
9. 在 CFD 仿真软件中，使用 read-transient-tables 命令导入瞬态流动波形；因此，请将入口流量数据保存为在线教程中所述的兼容 .txt 格式。

5. 设置计算流体动力学（CFD）模拟

1. 打开CFD仿真软件。本例中使用ANSYS Fluent（默认以18.1版本为例）。选择文件、读取和案例…，打开此前在ParaView中使用的体积网格.cas文件。通过选择显示…、显示来显示网格（本流程使用由Altair HyperMesh生成的.cas文件）。
2. 必须对几何体进行缩放，以确保模型的正确物理尺寸。选择缩放…，根据具体情况应用所需的单位换算，然后点击关闭。
3. 选择材料，创建/编辑 ，输入血液的材料属性。本教程中血液密度和黏度分别采用生理相关值1060 kg/m³和0.0035 kg/(m·s)。
4. 通过为每个入口设定随时间变化的质量流量或速度流量，设置瞬态流动的边界条件。使用从4D Flow MRI测量获得的波形来设定入口边界条件。出口则赋予在(4.8)中确定的加权值。
5. 在求解，方法下，设置用于Navier-Stokes方程空间和时间离散化的数值格式。本流程中采用耦合格式，以实现完全的压力-速度耦合；梯度采用最小二乘单元基；压力采用二阶格式；动量方程采用三阶MUSCL格式；时间离散采用二阶隐式格式。确保左上角的时间参数已设置为瞬态。
6. 在求解，初始化下，选择标准初始化。将所有初始值设为0后，点击初始化。此时程序已准备就绪。在计算活动下方设置解算文件夹，并设定每自动保存间隔（时间步）保存一次结果。
7. 在最后步骤中，在运行计算下设置时间步长(s)。使用(4.7)中的Excel边界条件数据确定该值。减小时间步长有助于收敛并提高数值解的精度，但会增加计算时间。建议至少运行三个完整的心动周期，以消除初始瞬态效应的影响。
8. 最后，将每个时间步的最大迭代次数设置为300 - 500。一旦达到收敛，软件将自动停止当前时间步的迭代，并进入下一个时间步。可通过先运行一个基于平均速度值的稳态流动模拟，并将其结果作为脉动流模拟的初始条件，以改善收敛性。准备就绪后，点击计算以启动求解器。
9. 软件将逐次迭代，直至达到收敛或达到最大迭代次数而终止迭代。结果文件将自动保存至(5.5)指定的位置，求解数据可在ANSYS CFD-Post或ParaView软件中进行可视化。