$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
סימולציות דינמיות של נוזלים חישוביים משמשות לניתוח זרימת הדם בכלי הדם של המטופל כדי להנחות אבחון וטיפול. דינמיקת נוזלים חישובית, או CFD, משתמשת בשיטות ניתוח מספריות כדי למדל זרימת נוזלים ולדמות תנאים מציאותיים עבור תרחישי זרימה רבים ושונים, כגון זרימת הנוזל סביב מטוס מהיר, דרך רשתות צנרת מורכבות ובתוך מערכת הלב וכלי הדם שלנו.
ביישום רפואי משתמשים בטכניקות הדמיה שונות להשגת גיאומטריות של כלי הדם. לאחר מכן מבוצעות סימולציות CFD, המשמשות לחיזוי התקדמות המחלה ולמודל תרחישי טיפול בהפרעות בכלי הדם, כולל מחלת לב כלילית, מומים עורקיים ורידיים ומפרצות.
סרטון זה ימחיש את העקרונות של CFD, ידגים כיצד הגיאומטריות של כלי הדם משמשות למודל המודינמיקה ברזולוציה גבוהה, וידון בכמה יישומים של CFD.
ראשית, בואו נבין את הדינמיקה הקרדיווסקולרית ואת עקרונות ה- CFD.
המודינמיקה קרדיווסקולרית מתארת את הדינמיקה של זרימת הדם בלב, כולל דרך החדר השמאלי והימני והפרוזדורים, וזרימת הדם בכלי הדם מהלב לשאר הגוף. ניתן לדמיין רשתות כלי דם מורכבות באמצעות אנגיוגרפיה ומהירות תהודה מגנטית או פלואורוסקופיה של קרני רנטגן. שיטות אלו מתארות את הגיאומטריה של כלי הדם של המטופל ומגדירות תנאי גבול זרימה.
ברגע שזה נרכש, נתוני מהירות הדם מפולחים לווקסלים, שהם יחידות של מידע גרפי המגדירות מרחב תלת מימדי, ושינוי הפאזה מתקבל בכל ווקסל. אלה תלויים ביחס הג'ירוסמגנטי, בשדה המגנטי הראשי, בשדה השיפוע המופעל ובמיקום הספין. זה בתורו תלוי במיקום ההתחלתי של הסיבוב, במהירות הסיבוב ובתאוצת הסיבוב. טאו הוא הזמן שמגדיר את הממד הרביעי.
פרמטרים אלה מוגדרים על ידי ה-MRI ומוזנים לסימולציות CFD. מהירות הזרימה התלת-ממדית נקבעת על ידי פתרון מספרי של משוואות Navier-Stokes או NS. משוואות NS הן המשוואות השולטות בתנועת נוזלים שנפתרו כדי לקבוע את התפלגות המהירות והלחץ. הם לוקחים בחשבון את הצפיפות, המהירות, הלחץ והצמיגות הדינמית של הזרימה.
כעת נראה כיצד עקרונות אלה של דינמיקת נוזלים מיושמים על גיאומטריות כלי דם אמיתיות כדי לייצר סימולציות CFD ברזולוציה גבוהה.
לפני שמתחילים, צור מודל כלי דם ספציפי למטופל מנתוני MRA. ניתן לעשות זאת באמצעות תוכנת קוד פתוח לפילוח תמונות.
עבור הדגמה זו, נוצרה רשת נפח טטרהדרלית. כעת פתח את ממשק המשתמש הגרפי של vmtk Python. ב- PypePad, הזן את שם הקובץ הדרוש. פקודה זו של עצמות חשופות תמשוך את קובץ ה-STL הקלט משולחן העבודה. בחר הפעל, הפעל הכל כדי לטעון את הנתונים לתוכנית. ייפתח חלון חדש המציג הוראות ועיבוד של מודל הקלט.
סובב את הדגם והנח את הסמן על כל מיקום כניסה. לחץ על מקש הרווח כדי להניח זרע על כניסה אחת. חזור על כך עבור כל הכניסות. לאחר מכן לחץ על Q כדי להמשיך. כעת חזור על אותו מיקום זרעים עבור כל השקעים. לחץ שוב על Q ותן לתוכנית לפעול. קובץ קו האמצע ייווצר ויישמר בשולחן העבודה.
כעת אנו מוכנים להשתמש בכלי ההדמיה בקוד פתוח ParaView כדי להפריד את הווקסלים המכילים נתוני זרימה מרקמה נייחת. אתר את הקבצים הבאים: רשת אמצעי האחסון הספציפית למטופל, קבצי Centerline וקבצי EnSight.case ולחץ על אישור כדי לטעון את הנתונים לממשק. נווט אל הטבלה מאפיינים ובחר החל כדי לטעון ולקרוא את כל המידע. לאחר מכן סמן את הרשת הנפחית בדפדפן הצינור.
בטבלה מאפיינים, שנה את ערך האטימות בין 0.2 ל- 0.5. קווי האמצע והעיבוד הגיאומטרי אמורים להיות גלויים כעת. לאחר מכן, עבור לתפריט העליון ובחר מסננים, אלפביתי, דגימה מחדש עם מערך נתונים, והגדר את המקור כרשת עוצמת הקול ואת הקלט כקובץ EnSight.case. לחץ על אישור כדי להמשיך ולהחיל את המסנן בטבלה מאפיינים. לאחר מכן, סמן את החדש Resample With Dataset והפחת את האטימות.
בתפריט העליון, שנה את קווי האמצע מ- Surface ל- Points. כדי לקבוע את תנאי הגבול, עבור לצד ימין של הממשק ובחר בכלי Split Horizontal Create View. בחר/י באפשרות ״תצוגת גיליון עבודה״. מהתיבה הנפתחת מציג, בחר את קובץ קו המרכז ועבור בין הקבצים, תוך בחירת נקודות שונות כדי לזהות מיקום בתוך כל כניסה ויציאה. כעת השתמש בתצוגת הגיליון האלקטרוני כדי לחשב את הווקטור הרגיל בין שתי נקודות.
לאחר מציאת הווקטור, הפעל את ResampleWithDataset ובחר מסננים, אלפביתי, פרוסה. ודא שהמסנן פרוסה מופיע, ולאחר מכן עבור לטבלה מאפיינים והגדר את מקור המישור כאותו מיקום נקודות X, Y, Z עבור אחת משתי הנקודות המשמשות לחישוב הווקטור הנורמלי. השתמש באפשרות זו כדי למלא את הערכים הרגילים ולאחר מכן בחר החל. הפעל את מסנן הפרוסה החדש שנוצר ובחר מסננים, אלפביתי, זרימת פני השטח. לחץ על החל ולאחר מכן הפעל את הפריט החדש Surface Flow, ואחריו מסננים, אלפביתי, שלבי זמן קבוצתיים, החל.
בתצוגת גיליון אלקטרוני, פתח את הנתונים GroupTimeSteps והשתמש בייצוא גיליון אלקטרוני או העתק-הדבק כדי לייצא נתונים אלה ל- Microsoft Excel. בתוך ParaView, קבעו את צעדי הזמן ואת גודל צעד הזמן על ידי מעבר בין הזמן. עבור הסימולציה, אנו רוצים שמחזור הלב יתחיל בזמן שווה לאפס. לכן, צור את סולם הזמן המתאים. לאחר מכן הפעל את מסנן הפרוסה ובחר מסננים, אלפביתי, שילוב משתנים.
בחלון הקופץ, שנה תכונה כדי להציג נתוני תא. זה מספק לך את שטח החתך של פרוסת הכניסה. כדי להפוך את נתוני הזרימה לתואמים ל-ANSYS Fluent, קבע את סולם הזמן ביחידות של שניות ואת מהירות הכניסה ביחידות של מטרים לשנייה.
השורה הראשונה חייבת להכיל שם נתונים, מספר עמודות, מספר שורות וגורם מפעיל בינארי לחזרתיות. השורה הבאה מכילה את השמות עבור כל אחת מעמודות הנתונים. מהירויות הזרימה, לא קצבים, נקבעות מתחת לכותרת העמודה המתאימה. על מנת לדמות מחזורי לב מרובים בצורה חלקה, ערכי המהירות ההתחלתית והסופית צריכים להיות שווים.
בחר קובץ, קריאה, רישיות ופתח את קובץ ה- .cas של רשת אמצעי האחסון שהיה בשימוש קודם לכן. סמן את התיבה עבור Display Mesh After Reading כדי להציג את הרשת לאחר הייבוא. בחר קנה מידה והחל את המרת היחידה הדרושה כדי להבטיח את הגודל הפיזי הנכון של הדגם. בחר חומרים יצירה/עריכה והזן מאפייני חומר עבור דם.
כעת, בחר את חלון הפקודה של המסוף והזן קובץ/. השתמש ב-read-transient-table כדי לייבא את צורות הגל של הזרימה החולפת הממוקמות באותו מיקום כמו קובץ ה-.cas של רשת אמצעי האחסון. השתמש בצורות הגל המתקבלות ממדידות ה-MRI של זרימה 4D כדי להגדיר את תנאי גבול הכניסה. לאחר מכן השתמש ביחס משוקלל של כניסה ליציאה כדי להגדיר את תנאי גבול היציאה.
הגדר את הסכמות המספריות המשמשות לצימוד מהירות לחץ ודיסקרטיזציה של משוואות Navier-Stokes. לאחר מכן, בתוך אתחול הפתרון, הגדר את כל הערכים ההתחלתיים לאפס. תחת פעילויות חישוב, הקצה תיקיית פתרונות לשמירת התוצאות וציין את התדירות באמצעות שמירה אוטומטית, בכל פעם. תחת הפעל חישוב, הגדר את גודל שלב הזמן מנתוני תנאי הגבול של Excel. לעתים קרובות עדיף לבחור צעד זמן קטן יותר ולאפשר ל-Fluent לבצע אינטרפולציה. חזור על הפעולה לפחות שלושה מחזורי לב.
לבסוף, הגדר את החזרות המקסימליות בין 300 ל-500. התוכנה תפסיק אוטומטית את האיטרציות בכל שלב זמן ברגע שההתכנסות מתרחשת. לאחר שהסימולציה הוגדרה במלואה, חזור אל אתחול, אתחול. חזור אל הפעל חישוב ובחר חשב כדי להפעיל את הפותר. כעת ניתן להמחיש את נתוני הפתרון בתוכנת ANSYS CFD-Post או ParaView.
כעת נבחן כמה נתונים מייצגים. הנה דוגמה למפרצת מוחית. מנתוני MRI זרימה 4D, זוהו דפוסי זרימה מורכבים בתוך אזור המפרצת. עם זאת, הרזולוציה מוגבלת באזורי הזרימה העומדת שנצפתה בחלק העליון והתחתון של הנגע. לאחר הפעלת סימולציות CFD, התקבלה רזולוציה גבוהה יותר של שדה המהירות, במיוחד ליד דפנות כלי השיט.
ניתן להשתמש ב-CFD גם להשוואת תנאי זרימה שונים באותו כלי. לדוגמה, סימולציות של גזירה כירורגית של עורק המוח הקדמי הימני והשמאלי עוזרות לדמיין את השפעות ההליך על דינמיקת הזרימה.
סימולציות דינמיות חישוביות של זרימת דם הן כלים שימושיים המשמשים ביישומים ביו-רפואיים שונים.
לדוגמא, מצבים המודינמיים בתוך כלי הדם משפיעים על התפתחות והתקדמות של מחלות עורקים, כולל טרשת עורקים ומפרצת. מכיוון שקשה להשיג מדידות ישירות in vivo, CFD הוא כלי מחקר סטנדרטי המשמש למודל דינמיקת זרימת הדם. זה יכול לספק הדרכה לרופאים לאבחון, כמו גם תרחישי טיפול שונים.
בנוסף למודלים של כלי דם, סימולציות CFD משמשות להדמיית זרימת אוויר המבוססת על מודלים של דרכי הנשימה באף. זה שימושי במיוחד לתכנן פרוטוקולים כדי לספק, בצורה נאותה ומבוקרת, אירוסולים פרמצבטיים לאזורי ריח ממוקדים המקיימים אינטראקציה ישירה עם המוח.
זה עתה צפיתם במבוא של JoVE לדינמיקת נוזלים חישובית כדי לדמות את זרימת הדם. כעת עליך להבין כיצד ניתן לעצב דינמיקת זרימת דם ברזולוציה גבוהה על סמך גיאומטריות תלת מימדיות של כלי דם. תודה שצפית!
