Simulations numériques de la dynamique des fluides du flux sanguin lors d'un anévrisme cérébral

Un précurseur du tutoriel est la création d'un modèle de vascularisation spécifique au patient. Dans cette démonstration, les outils Materialise Mimics, 3D Systems Geomagic Design X et Altair HyperMesh ont été utilisés pour générer un maillage de volume tétraèdre à partir de données MRA.

1. Générer des lignes maîtresses de navire pour le modèle

1. Ouvrez le vmtk-lanceur python GUI. Dans le PypePad, tapez : vmtkcenterlines -ifile [fichier STL enregistré sur le bureau].stl -ofile [STL name]centerlines.vtp
2. Sélectionnez Exécuter, Exécutez tous pour charger les données dans le programme. Une nouvelle fenêtre s'ouvrira qui affiche les instructions et le rendu du modèle d'entrée. Faites pivoter le modèle et placez le curseur sur chaque emplacement d'auto-lit. Appuyez sur la barre d'espace pour placer une graine.
3. Après avoir placé des graines sur toutes les entrées, appuyez sur 'Q' pour continuer. Répétez le même placement de graines pour tous les points de vente. Après avoir placé les graines de sortie, appuyez à nouveau sur «Q» et laissez le programme s'exécuter. Cela enregistrera le fichier central sur le bureau.

2. Configuration des données dans le logiciel de visualisation

1. Démarrer l'outil de visualisation open-source, ParaView (version 5.4.1 utilisé dans cette procédure).
2. Sélectionnez Fichier, Ouvrez..., et localisez les fichiers précédemment créés : le maillage de volume spécifique au patient, le fichier central et le fichier EnSight.case(s). Après avoir cliqué sur Ok, toutes les données doivent être chargées dans l'interface.
3. À partir de la table Propriétés en bas à gauche, sélectionnez Appliquer. Cette commande chargera et lira toutes les informations qu'un utilisateur a chargées ou modifiées dans ParaView. Mettez en évidence le maillage de volume en cliquant sur son nom dans le navigateur pipeline pour activer cette sélection.
4. Encore une fois, dans la table Propriétés, faites défiler et modifiez la valeur Opacity à quelque part entre 0,2 - 0,5. Maintenant, les lignes maîtresses et les rendus géométriques doivent être visibles.

3. Remap 4D Flow IRM avec le maillage volumétrique-grille et supprimer le bruit

1. Dans le menu du haut, sélectionnez Filtres, Alphabetical, ResampleWithDataset. Une nouvelle fenêtre s'ouvrira. Définir la source comme le maillage de volume et l'entrée comme fichier EnSight.case. Sélectionnez Ok une fois qu'ils sont réglés.
2. Dans le tableau Propriétés, sélectionnez Appliquer pour appliquer le filtre.
3. Comme auparavant, mettez en évidence le nouveau nom ResampleWithDatasetpour l'activer. Réduisez l'opacité de ce nouveau rendu comme mentionné précédemment. En outre, changez l'aleme central de Surface en Points dans le menu supérieur.

4. Déterminer les conditions de limite d'entrée et de débit de sortie

1. Sur le côté droit de l'interface, à côté pour maximiser et minimiser les options de rendu, sélectionnez l'outil Create View (carré avec ligne verticale). Sélectionnez l'option SpreadSheet View.
2. À partir de la case de dépôt de l'affichage, sélectionnez le fichier central (s). Un seul type de fichier peut être sélectionné à la fois. Parcourez les données en parcourant les données en sélectionnant différents points pour identifier un emplacement dans chaque entrée et sortie.
3. Maintenant, utilisez la vue SpreadSheet sous les points pour calculer le vecteur normal entre deux points près des mêmes endroits trouvés dans (4.2).
4. Après avoir trouvé le vecteur normal pour chaque emplacement d'aulet et de sortie, sélectionnez Filtres, Alphabetical, Slice. Assurez-vous d'activer le ResampleWithDatasetMD à l'avance.
5. Le filtre Slice doit apparaître sous une nouvelle branche provenant de ResampleWithDataset. Dans la table Propriétés, définir l'origine du plan comme le même emplacement de point XYZ pour l'un des deux points utilisés pour calculer le vecteur normal. Utilisez le vecteur normal de (4.3) pour remplir les valeurs normales. Sélectionnez Appliquer.
6. Mettez en surbrillance/activez le filtre SliceMD qui vient d'être créé, et sélectionnez Filtres, Alphabetical, Surface Flow, puis Appliquer. Activez le nouvel élément SurfaceFlowMD dans le navigateur pipelineet appliquez les filtres, alphabetiques,étapes du temps de groupe, appliquer.
7. Dans SpreadSheet View, ouvrez les données GroupTimeStepsMD. Exportez ces données à Microsoft Excel par copier-coller ou utilisez Export Spreadsheet.
8. Dans Excel, calculez les valeurs pondérées correspondant au rapport du débit à chaque prise par rapport au débit total des entrées. En raison du bruit inhérent et de l'erreur des données d'IRM 4D Flow, identifiez le plus petit navire (généralement ayant des données moins fiables) à laisser « ouvert » pour assurer la conservation de la masse.
9. Dans le logiciel de simulation CFD, les formes d'ondes de flux transitoires sont importées à l'aide d'une commande de tables de lecture transitoire; par conséquent, enregistrez les données de flux d'entrée dans un format compatible, .txt décrit dans les tutoriels en ligne.

5. Mise en place de simulations CFD

1. Logiciel de simulation CFD ouvert. Ici, nous utilisons ANSYS Fluent (version 18.1 décrite dans cette procédure comme par défaut). Choisissez Fichier, Lire, et Cas ..., et ouvrir le fichier maillage de volume .cas utilisé précédemment dans ParaView. Afficher le maillage (cette procédure utilise un fichier .cas généré avec Altair HyperMesh) en sélectionnant Display..., Display.
2. Il est important d'augmenter la géométrie pour assurer la bonne taille physique du modèle. Sélectionnez Échelle ... et appliquer toute conversion d'unité est nécessaire pour le cas spécifique, puis Fermer.
3. Sélectionnez Matériaux, Créer / Modifier pour entrer dans les propriétés matérielles pour le sang. Ce tutoriel utilise des valeurs physiologiquement pertinentes de 1060 kg/s et 0,0035 kg/ms pour la densité et la viscosité, respectivement.
4. Définir les conditions transitoires de délimitation du débit en prescrivant des débits de masse ou des débits de vitesse en fonction du temps pour chaque entrée. Utilisez les formes d'onde obtenues à partir de la mesure 4D Flow MRI pour prescrire les conditions limites de l'entrée. Les points de vente sont donnés des valeurs pondérées trouvées dans (4.8).
5. Under Solution, Methods, a établi les schémas numériques utilisés pour la discrètement spatiale et temporelle des équations Navier-Stokes. Pour cette procédure, utilisez Coupled, qui permet le couplage pleine pression-vitesse, Least Squares Cell Based (gradient), Second Order scheme for pressure, Third-Order MUSCL scheme for momentum equations, and Second Order Implicit scheme for discretization in time. Assurez-vous que le paramètre Temps en haut à gauche a été défini sur Transitoire.
6. Sous solution, initialisation, sélectionnez Initialisation Standard. Avec toutes les valeurs initiales fixées à 0, sélectionnez Initialize. Maintenant, le programme est prêt à s'exécuter. Désignez un dossier de solution pour enregistrer des résultats chaque autosave Chaque (étapes de temps) sous les activités de calcul.
7. Dans les dernières étapes, configurez la taille de l'étapetemporelle (s) sous le calcul del'exécution . Utilisez les données de l'état de limite Excel dans (4.7) pour déterminer cette valeur. La réduction de l'étape temporelle facilite la convergence et améliore la précision de la solution numérique, tout en augmentant le temps de solution. C'est une bonne pratique d'exécuter la simulation pendant au moins trois cycles cardiaques complets pour éliminer l'effet des transitoires initiaux.
8. Enfin, définir Max Itérations pour chaque étape de temps entre 300 - 500. Le logiciel arrêtera automatiquement les itérations à chaque étape de temps une fois que la convergence est atteinte et procédera à l'étape de temps suivante. La convergence peut être améliorée en exécutant une simulation de débit régulier avec des valeurs de vitesse moyennes, puis en utilisant les résultats comme conditions initiales pour la simulation de flux pulsatile. Sélectionnez Calculer lorsqu'il est prêt à exécuter le solveur.
9. Le logiciel exécutera chaque itération jusqu'à ce que la convergence soit réalisée ou que Max Itérations provoque la poursuite de l'itération. Les fichiers seront automatiquement enregistrés à partir de (5.5) et les données de la solution pourront être visualisées dans le logiciel ANSYS CFD-Post ou ParaView.