Simulaciones de dinámica de fluidos computacionales del flujo sanguíneo en un aneurisma cerebral

Un precursor del tutorial es la creación de un modelo de vasculatura específica del paciente. En esta demostración, las herramientas Materialise Mimics, 3D Systems Geomagic Design X y Altair HyperMesh se utilizaron para generar una malla de volumen tetraédrica a partir de datos MRA.

1. Generar líneas centrales de la embarcación para el modelo

1. Abra la GUI de python vmtk-launcher. En el PypePad, escriba: vmtkcenterlines -ifile [archivo STL guardado en desktop].stl -ofile [Nombre STL]centerlines.vtp
2. Seleccione Ejecutar, Ejecutar todo para cargar los datos en el programa. Se abrirá una nueva ventana que muestra instrucciones y una representación del modelo de entrada. Gire el modelo y coloque el curser en cada ubicación de entrada. Presione la barra espaciadora para colocar una semilla.
3. Después de colocar las semillas en todas las entradas, pulse 'Q' para continuar. Repita la misma colocación de las semillas para todas las tomas de corriente. Después de colocar las semillas de salida, pulse 'Q' de nuevo y deje que el programa funcione. Esto guardará el archivo de línea central en el escritorio.

2. Configuración de datos en el software de visualización

1. Inicie la herramienta de visualización de código abierto, ParaView (versión 5.4.1 utilizada en este procedimiento).
2. Seleccione Archivo, Abrir...y localice los archivos creados anteriormente: la malla de volumen específica del paciente, los archivos de línea central y los archivos EnSight.case. Después de hacer clic en Aceptar, todos los datos deben cargarse en la interfaz.
3. En la tabla Propiedades de la parte inferior izquierda, seleccione Aplicar. Este comando cargará y leerá toda la información que un usuario ha cargado o cambiado en ParaView. Resalte la malla de volumen haciendo clic en su nombre en el Navegador de canalizaciones para activar esta selección.
4. Una vez más, en la tabla Propiedades, desplácese y cambie el valor de Opacidad a algún lugar entre 0,2 - 0,5. Ahora, las líneas constructivas y las representaciones geométricas deben estar visibles.

3. Remape los datos de RMN de flujo 4D con la malla volumétrica y elimine el ruido

1. En el menú superior, seleccione Filtros, Alfabético, RemuestreWithDataset. Se abrirá una nueva ventana. Establezca Source como la malla de volumen y Input como el archivo EnSight.case. Seleccione Aceptar una vez que se establezcan.
2. En la tabla Propiedades, seleccione Aplicar para aplicar el filtro.
3. Como antes, resalte el nuevo nombre ResampleWithDatasetpara activarlo. Reduzca la opacidad de esta nueva representación como se mencionó anteriormente. Además, cambia los ejes de Superficie a Puntos en el menú superior.

4. Determinar las condiciones de límite del flujo de entrada y salida

1. En el lado derecho de la interfaz, junto a maximizar y minimizar las opciones de renderizado, seleccione la herramienta Crear vista (cuadrado con línea vertical). Seleccione la opción Vista SpreadSheet.
2. En el cuadro desplegable Mostrar, seleccione los archivos de línea central. Solo se puede seleccionar un tipo de archivo a la vez. Repase los datos, seleccionando varios puntos para identificar una ubicación dentro de cada entrada y salida.
3. Ahora, utilice la vista SpreadSheet debajo de Puntos para calcular el vector normal entre dos puntos cerca de las mismas ubicaciones encontradas en (4.2).
4. Después de encontrar el vector normal para cada ubicación de entrada y salida, seleccione Filtros, Alfabético, Sector. Asegúrese de activar el ResampleWithDataset de antemano.
5. El filtro Sector debe aparecer debajo de una nueva rama procedente de ResampleWithDataset. En la tabla Propiedades, establezca el plano Origen como la misma ubicación de punto XYZ para uno de los dos puntos utilizados para calcular el vector normal. Utilice el vector normal de (4.3) para rellenar los valores Normales. Seleccione Aplicar.
6. Resalte/active el filtro Slice y seleccione Filtros, Alfabético, Flujo de superficiey, a continuación, Aplicar . Active el nuevo elemento SurfaceFlow en el Explorador de canalizacionesy aplique los filtros, Alfabético, Pasosde tiempo de grupo , Aplicar.
7. En la vista SpreadSheet, abra los datos de GroupTimeSteps. Exporte estos datos a Microsoft Excel mediante copiar y pegar o usar Exportar hoja de cálculo.
8. En Excel, calcule los valores ponderados correspondientes a la relación del caudal en cada salida con respecto al caudal de entrada total. Debido al ruido inherente y el error de los datos de RMN de flujo 4D, identifique el recipiente más pequeño (generalmente con datos menos fiables) para dejar "abierto" para garantizar la conservación de la masa.
9. En el software de simulación CFD, las formas de onda de flujo transitorio se importan mediante el comando read-transient-tables; por lo tanto, guarde los datos del flujo de entrada en un formato .txt compatible descrito en los tutoriales en línea.

5. Configurar simulaciones CFD

1. Abra el software de simulación CFD. Aquí usamos ANSYS Fluent (versión 18.1 descrita en este procedimiento como predeterminado). Elija Archivo, Leery Caso...y abra el archivo .cas de malla de volumen utilizado anteriormente en ParaView. Visualice la malla (este procedimiento utiliza un archivo .cas generado con Altair HyperMesh) seleccionando Visualizar..., Visualizar.
2. Es importante escalar la geometría para garantizar el tamaño físico correcto del modelo. Seleccione Escalar... y aplique cualquier conversión de unidad que sea necesaria para el caso específico y, a continuación, Cerrar.
3. Seleccione Materiales, Crear/Editar para introducir las propiedades de material para la sangre. Este tutorial utiliza valores fisiológicamente relevantes de 1060 kg/s y 0,0035 kg/ms para densidad y viscosidad, respectivamente.
4. Establezca las condiciones límite de flujo transitorio prescribiendo el flujo de masa o los caudales de velocidad en función del tiempo para cada entrada. Utilice las formas de onda obtenidas de la medición de RMN de flujo 4D para prescribir las condiciones de límite de entrada. Las salidas reciben valores ponderados que se encuentran en (4.8).
5. En Solución, Métodos, establezca los esquemas numéricos utilizados para la discretización espacial y temporal de las ecuaciones Navier-Stokes. Para este procedimiento, utilice Acoplado, que permite el acoplamiento de velocidad de presión completa, Basado en celdas de mínimos cuadrados (gradiente), Esquema de segundo orden para la presión, esquema MUSCL de tercer orden para ecuaciones de impulso y esquema implícito de segunda orden para la discretización en el tiempo. Asegúrese de que el parámetro Time en la parte superior izquierda se ha establecido en Transient.
6. En Solución, Inicialización, seleccione Inicialización estándar. Con todos los valores iniciales establecidos en 0, seleccione Inicializar. Ahora el programa está configurado para ejecutarse. Designe una carpeta de solución para guardar los resultados cada guardado automático cada (pasos de tiempo) debajo de Actividades de cálculo.
7. En los pasos finales, configure el Tamaño de paso de tiempo(s) en Ejecutar cálculo. Utilice los datos de condición de límite de Excel en (4.7) para determinar este valor. La reducción del paso de tiempo facilita la convergencia y mejora la precisión de la solución numérica, al tiempo que aumenta el tiempo de la solución. Es una buena práctica ejecutar la simulación durante al menos tres ciclos cardíacos completos para eliminar el efecto de los transitorios iniciales.
8. Por último, establezca Iteraciones máximas para cada paso de tiempo entre 300 - 500. El software detendrá automáticamente las iteraciones en cada paso de tiempo una vez que se alcanza la convergencia y procederá al siguiente paso de tiempo. La convergencia se puede mejorar ejecutando una simulación de flujo constante con valores de velocidad promediados y luego utilizando los resultados como condiciones iniciales para la simulación de flujo pulsante. Seleccione Calcular cuando esté listo para ejecutar el solucionador.
9. El software ejecutará cada iteración hasta que se logre la convergencia o max Iterations hace que la iteración continúe. Los archivos se guardarán automáticamente en la ubicación desde (5.5), y los datos de la solución se pueden visualizar en el software ANSYS CFD-Post o ParaView.