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

Las simulaciones de dinámica de fluidos computacional se utilizan para analizar el flujo sanguíneo en la vasculatura del paciente para guiar el diagnóstico y el tratamiento. La dinámica de fluidos computacional, o CFD, utiliza métodos de análisis numérico para modelar el flujo de fluidos y simular condiciones realistas para muchos escenarios de flujo diferentes, como el flujo de fluido alrededor de un avión de alta velocidad, a través de redes de tuberías complejas y dentro de nuestro sistema cardiovascular.

En aplicaciones médicas, se utilizan diversas técnicas de imagen para obtener geometrías de vasos sanguíneos. A continuación, se realizan simulaciones CFD, que se utilizan para predecir la progresión de la enfermedad y modelar escenarios de tratamiento para las disfunciones de la vasculatura, incluida la enfermedad coronaria, las malformaciones arteriovenosas y los aneurismas.

Este video ilustrará los principios de CFD, demostrará cómo se utilizan las geometrías de los vasos sanguíneos para modelar hemodinámica de alta resolución y discutirá algunas aplicaciones de CFD.

En primer lugar, vamos a entender la dinámica cardiovascular y los principios de la CFD.

La hemodinámica cardiovascular describe la dinámica del flujo sanguíneo en el corazón, incluso a través de los ventrículos y aurículas izquierdo y derecho, y el flujo sanguíneo en los vasos desde el corazón al resto del cuerpo. Las redes vasculares complejas se pueden visualizar mediante angiografía por resonancia magnética y velocimetría o fluoroscopia de rayos X. Estos métodos describen la geometría de los vasos sanguíneos del paciente y definen las condiciones límite del flujo.

Una vez adquirido, los datos de velocidad de la sangre se segmentan en vóxeles, que son unidades de información gráfica que definen un espacio 3D, y en cada vóxel se obtiene el desplazamiento de fase. Estos dependen de la relación giromagnética, el campo magnético principal, el campo de gradiente aplicado y la posición del espín. Esto, a su vez, depende de la posición inicial del giro, la velocidad de giro y la aceleración del giro. Tau es el tiempo que define la cuarta dimensión.

Estos parámetros son definidos por la resonancia magnética y se introducen en las simulaciones CFD. La velocidad de flujo 3D se determina resolviendo numéricamente las ecuaciones de Navier-Stokes o NS. Las ecuaciones NS son las ecuaciones que gobiernan el movimiento del fluido resueltas para determinar las distribuciones de velocidad y presión. Tienen en cuenta la densidad, la velocidad, la presión y la viscosidad dinámica del flujo.

Ahora veremos cómo se aplican estos principios de la dinámica de fluidos a geometrías reales de vasos sanguíneos para producir simulaciones CFD de alta resolución.

Antes de comenzar, cree un modelo de vasculatura específico del paciente a partir de los datos de la ARM. Esto se puede hacer utilizando software de código abierto para la segmentación de imágenes.

Para esta demostración, se generó una malla de volumen tetraédrica. Ahora abra la GUI de Python del iniciador vmtk. En el PypePad, introduzca el nombre de archivo necesario. Este comando básico extraerá el archivo STL de entrada del escritorio. 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 cursor en cada ubicación de entrada. Presione la barra espaciadora para colocar una semilla en una entrada. Repita esto para todas las entradas. A continuación, pulse Q para continuar. Ahora repita la misma colocación de semillas para todas las salidas. Presione Q nuevamente y deje que se ejecute el programa. El archivo de línea central se generará y se guardará en el escritorio.

Ahora estamos listos para usar la herramienta de visualización de código abierto ParaView para separar los vóxeles que contienen datos de flujo del tejido estacionario. Localice los siguientes archivos: la malla de volumen específica del paciente, los archivos Centerline y los archivos EnSight.case y haga clic en Aceptar para cargar los datos en la interfaz. Vaya a la tabla Propiedades y seleccione Aplicar para cargar y leer toda la información. A continuación, resalte la malla volumétrica en el navegador de tuberías.

En la tabla Propiedades, cambie el valor de opacidad a entre 0,2 y 0,5. Las líneas centrales y la representación geométrica ahora deberían estar visibles. A continuación, vaya al menú superior y seleccione Filtros, Alfabético, Remuestrear con conjunto de datos y establezca la fuente como la malla de volumen y la entrada como el archivo EnSight.case. Haga clic en Aceptar para continuar y aplique el filtro en la tabla Propiedades. A continuación, resalte el nuevo Remuestrear con conjunto de datos y reduzca la opacidad.

En el menú superior, cambie las líneas centrales de Superficie a Puntos. Para determinar las condiciones de contorno, vaya al lado derecho de la interfaz y seleccione la herramienta Crear vista horizontal dividida. Elija la opción Vista de hoja de cálculo. En el cuadro desplegable Mondo, seleccione el archivo Línea central y recorra los archivos, seleccionando varios puntos para identificar una ubicación dentro de cada entrada y salida. Ahora use la vista de hoja de cálculo para calcular el vector normal entre dos puntos.

Después de encontrar el vector, active ResampleWithDataset y seleccione Filtros, Alfabético, Segmento. Asegúrese de que aparezca el filtro Sector, luego vaya a la tabla Propiedades y establezca el origen del plano como la misma ubicación de punto X, Y, Z para uno de los dos puntos utilizados para calcular el vector normal. Utilícelo para rellenar los valores normales y, a continuación, seleccione Aplicar. Active el filtro División recién creado y seleccione Filtros, Alfabético, Flujo de superficie. Haga clic en Aplicar y, a continuación, active el nuevo elemento Flujo de superficie, seguido de Filtros, Alfabético, Grupos de tiempo, Aplicar.

En la vista de hoja de cálculo, abra los datos de GroupTimeSteps y use Exportar hoja de cálculo o copiar y pegar para exportar estos datos a Microsoft Excel. Dentro de ParaView, determine los Periodos de Tiempo y el tamaño del Periodo de Tiempo recorriendo el Tiempo. Para la simulación, queremos que el ciclo cardíaco comience en un tiempo igual a cero. Por lo tanto, genere la escala de tiempo adecuada. A continuación, active el filtro Sector y seleccione Filtros, Alfabético, Integrar variables.

En la ventana emergente, cambie Atributo para mostrar Datos de celda. Esto le proporciona el área de la sección transversal de la rebanada de entrada. Para que los datos de flujo sean compatibles con ANSYS Fluent, determine la escala de tiempo con unidades de segundos y la velocidad de entrada con unidades de metros por segundo.

La primera línea debe contener un nombre de datos, un número de columnas, un número de filas y un desencadenador binario para la repetibilidad. La siguiente línea contiene los nombres de cada una de las columnas de datos. Las velocidades de flujo, no las tasas, se establecen debajo del encabezado de la columna respectiva. Con el fin de simular múltiples ciclos cardíacos sin problemas, los valores de velocidad inicial y final deben ser equivalentes.

Elija Archivo, Lectura, Mayúsculas y minúsculas y abra el archivo .cas de malla de volumen que se utilizó anteriormente. Marque la casilla Mostrar malla después de leer para mostrar la malla una vez importada. Seleccione Escala y aplique la conversión de unidades necesaria para garantizar el tamaño físico correcto del modelo. Seleccione Materiales, Crear/Editar e introduzca las propiedades del material para la sangre.

Ahora, seleccione la ventana de comandos de la consola e ingrese archivo/. Utilice read-transient-table para importar las formas de onda de flujo transitorio ubicadas en la misma ubicación que el archivo .cas de la malla de volumen. Utilice las formas de onda obtenidas de las mediciones de resonancia magnética de flujo 4D para establecer las condiciones de contorno de entrada. A continuación, utilice una relación ponderada de entrada a salida para establecer las condiciones de contorno de salida.

Establezca los esquemas numéricos utilizados para el acoplamiento presión-velocidad y la discretización de las ecuaciones de Navier-Stokes. A continuación, en Inicialización de la solución, establezca todos los valores iniciales en cero. En Actividades de cálculo, designe una carpeta de solución para guardar los resultados y especificar la frecuencia con Guardado automático, cada pasos de tiempo. En Cálculo de ejecución, configure el Tamaño de período de tiempo a partir de los datos de condiciones de contorno de Excel. A menudo es preferible seleccionar un período de tiempo más pequeño y permitir que Fluent interpole. Repita durante al menos tres ciclos cardíacos.

Por último, establezca el número máximo de iteraciones entre 300 y 500. El software detendrá automáticamente las iteraciones en cada paso de tiempo una vez que se produzca la convergencia. Una vez que la simulación se haya configurado por completo, vuelva a Inicialización, Inicializar. Vuelva a Ejecutar cálculo y seleccione Calcular para ejecutar el solucionador. Los datos de la solución ahora se pueden visualizar en el software ANSYS CFD-Post o ParaView.

Examinaremos ahora algunos datos representativos. Este es un ejemplo de un aneurisma cerebral. A partir de los datos de resonancia magnética de flujo 4D, se detectaron patrones complejos de flujo recirculante dentro de la región del aneurisma. Sin embargo, la resolución es limitada en las regiones de flujo estancado observadas en la sección superior e inferior de la lesión. Después de ejecutar simulaciones CFD, se obtuvo una mayor resolución del campo de velocidad, particularmente cerca de las paredes del recipiente.

CFD también se puede utilizar para comparar diferentes condiciones de flujo en el mismo recipiente. Por ejemplo, las simulaciones de un clipaje quirúrgico de la arteria cerebral anterior derecha e izquierda ayudan a visualizar los efectos del procedimiento en la dinámica del flujo.

Las simulaciones computacionales de dinámica de fluidos del flujo sanguíneo son herramientas útiles utilizadas en diversas aplicaciones biomédicas.

Por ejemplo, las condiciones hemodinámicas dentro de la vasculatura afectan el desarrollo y la progresión de las enfermedades arteriales, incluida la aterosclerosis y los aneurismas. Dado que las mediciones directas son difíciles de adquirir in vivo, la CFD es una herramienta de investigación estándar que se utiliza para modelar la dinámica del flujo sanguíneo. Puede proporcionar a los médicos orientación para el diagnóstico, así como para diferentes escenarios de tratamiento.

Además del modelado vascular, las simulaciones CFD sirven para simular el flujo de aire basado en modelos de vías respiratorias nasales. Es particularmente útil diseñar protocolos para administrar, de manera adecuada y controlada, aerosoles farmacéuticos a regiones olfativas específicas que interactúan directamente con el cerebro.

Acabas de ver la introducción de JoVE a la dinámica de fluidos computacional para simular el flujo sanguíneo. Ahora debería comprender cómo se puede modelar la dinámica del flujo sanguíneo de alta resolución en función de geometrías de vasos tridimensionales. ¡Gracias por mirar!