6: Simulazioni fluidodinamiche computazionali del flusso sanguigno in un aneurisma cerebrale

Un precursore del tutorial è la creazione di un modello vascolare specifico per il paziente. In questa dimostrazione, gli strumenti Materialise Mimics, 3D Systems Geomagic Design X e Altair HyperMesh sono stati utilizzati per generare una mesh di volume tetraedrico dai dati MRA.

1. Genera le mezze linee di mezzeria della nave per il modello

1. Apri la GUI python di vmtk-launcher. In PypePad, digitare: vmtkcenterlines -ifile [file STL salvato sul desktop].stl -ofile [nome STL]centerlines.vtp
2. Selezionare Esegui, Esegui tutto per caricare i dati nel programma. Si aprirà una nuova finestra che visualizza le istruzioni e un rendering del modello di input. Ruotate il modello e posizionate il curser su ogni posizione di ingresso. Premere la barra spaziatrice per posizionare un seme.
3. Dopo aver posizionato i semi su tutte le insenature, premere 'Q' per continuare. Ripeti lo stesso posizionamento dei semi per tutte le prese. Dopo aver posizionato i semi di uscita, premere nuovamente 'Q' e lasciare che il programma funzioni. In questo modo il file della linea di mezzeria verrà salvato sul desktop.

2. Configurazione dei dati nel software di visualizzazione

1. Avviare lo strumento di visualizzazione open source ParaView (versione 5.4.1 utilizzata in questa procedura).
2. Selezionare File, Apri...e individuare i file creati in precedenza: la mesh del volume specifica del paziente, i file centerline e i file EnSight.case. Dopo aver fatto clic su Ok, tutti i dati devono essere caricati nell'interfaccia.
3. Nella tabella Proprietà in basso a sinistra, selezionare Applica. Questo comando caricherà e leggerà tutte le informazioni che un utente ha caricato o modificato in ParaView. Evidenziate la mesh del volume facendo clic sul relativo nome nel Browser pipeline per attivare questa selezione.
4. Ancora una volta, nella tabella Proprietà, scorrere e modificare il valore di Opacità in un valore compreso tra 0,2 e 0,5. Ora, gli assi di mezzeria e i rendering geometrici dovrebbero essere visibili.

3. Rimappare i dati MRI 4D Flow con la griglia mesh volumetrica ed eliminare il rumore

1. Dal menu in alto, selezionare Filtri, Alfabetico, RicampionaWithDataset. Si aprirà una nuova finestra. Impostate Source come mesh del volume e Input come file EnSight.case. Selezionare OK una volta impostati.
2. Nella tabella Proprietà selezionare Applica per applicare il filtro.
3. Come in precedenza, evidenziare il nuovo nome ResampleWithDataset# per attivarlo. Ridurre l'opacità di questo nuovo rendering come accennato in precedenza. Inoltre, modificate gli assi di mezzeria da Superficie a Punti (Points) nel menu in alto.

4. Determinare le condizioni al contorno del flusso in ingresso e in uscita

1. Sul lato destro dell'interfaccia, accanto a ingrandire e ridurre al minimo le opzioni di rendering, selezionare lo strumento Crea vista (quadrato con linea verticale). Selezionare l'opzione Visualizzazione foglio di 146.
2. Dalla casella a discesa Visualizzazione, selezionare i file dell'asse di mezzeria. È possibile selezionare un solo tipo di file alla volta. Scorrere i dati, selezionando vari punti per identificare una posizione all'interno di ciascun ingresso e uscita.
3. Ora, usa la vista Foglio di calcolo sotto i punti per calcolare il vettore normale tra due punti vicino alle stesse posizioni trovate in (4.2).
4. Dopo aver trovato il vettore normale per ogni posizione di ingresso e uscita, selezionare Filtri, Alfabetico, Sezione. Assicurarsi di attivare resampleWithDataset# in anticipo.
5. Il filtro Slice deve essere visualizzato sotto un nuovo ramo proveniente da ResampleWithDataset#. Nella tabella Proprietà,impostate l'origine del piano come la stessa posizione del punto XYZ per uno dei due punti utilizzati per calcolare il vettore normale. Utilizzare il vettore normale da (4.3) per compilare i valori normali. Seleziona Applica.
6. Evidenziare/attivare il filtro Slice# appena creato e selezionare Filtri, Alfabetico, Flusso superficiee quindi Applica. Attivare il nuovo elemento SurfaceFlow# nel Browser pipelinee applicare Filtri, Alfabetico , Raggruppa passi temporali, Applica.
7. In Visualizzazione Foglio di disegno di disegnoaprire i dati GroupTimeSteps#. Esporta questi dati in Microsoft Excel tramite copia e incolla o usa Esporta foglio di calcolo.
8. In Excel, calcolare i valori ponderati corrispondenti al rapporto tra la portata in ogni uscita e la portata totale in ingresso. A causa del rumore intrinseco e dell'errore dei dati MRI 4D Flow, identificare la nave più piccola (generalmente con dati meno affidabili) da lasciare "aperta" per garantire la conservazione della massa.
9. Nel software di simulazione CFD, le forme d'onda a flusso transitorio vengono importate utilizzando il comando read-transient-tables; pertanto, salvare i dati del flusso di ingresso in un formato compatibile e .txt descritto nelle esercitazioni online.

5. Impostare simulazioni CFD

1. Software di simulazione CFD aperto. Qui usiamo ANSYS Fluent (versione 18.1 descritta in questa procedura come predefinita). Scegliete File, Letturae Maiuscole/minuscole...e aprite il file .cas della mesh del volume utilizzato in precedenza in ParaView. Visualizzare la mesh (questa procedura utilizza un file .cas generato con Altair HyperMesh) selezionando Visualizza..., Visualizza.
2. È importante ridimensionare la geometria per garantire la dimensione fisica corretta del modello. Selezionare Scala... e applicare la conversione dell'unità necessaria per il caso specifico, quindi Chiudi.
3. Selezionare Materiali, Crea/Modifica per immettere le proprietà del materiale per il sangue. Questo tutorial utilizza valori fisiologicamente rilevanti di 1060 kg/s e 0,0035 kg/ms rispettivamente per densità e viscosità.
4. Impostare le condizioni al contorno del flusso transitorio prescrivendo il flusso di massa o le portate di velocità in funzione del tempo per ciascun ingresso. Utilizzare le forme d'onda ottenute dalla misurazione MRI 4D Flow per prescrivere le condizioni al contorno di ingresso. Alle prese vengono indicati valori ponderati che si trovano in (4.8).
5. In Soluzione, Metodi, imposta gli schemi numerici utilizzati per la discretizzazione spaziale e temporale delle equazioni di Navier-Stokes. Per questa procedura, utilizzare Accoppiato , che consente l'accoppiamentopressione-velocità completa, Least Squares Cell Based (gradiente), Schema del Secondo Ordine per la pressione, Schema MUSCL del Terzo Ordine per le equazioni della quantità di moto e Schema implicito del Secondo Ordine per la discretizzazione nel tempo. Assicurarsi che il parametro Time in alto a sinistra sia stato impostato su Transient.
6. In Soluzione, Inizializzazione, selezionare Inizializzazione standard. Con tutti i valori iniziali impostati su 0, selezionare Inizializza. Ora il programma è impostato per l'esecuzione. Designare una cartella della soluzione per salvare i risultati ogni salvataggio automatico ogni (passaggi temporali) sotto Attività di calcolo.
7. Nei passaggi finali, impostare le dimensioni dei passaggi temporaliin Esegui calcolo. Utilizzare i dati delle condizioni al contorno di Excel in (4.7) per determinare questo valore. La riduzione del passo temporale facilita la convergenza e migliora la precisione della soluzione numerica, aumentando al contempo il tempo di soluzione. È buona norma eseguire la simulazione per almeno tre cicli cardiaci completi per eliminare l'effetto dei transitori iniziali.
8. Infine, imposta Iterazioni massime per ogni passaggio temporale compreso tra 300 e 500. Il software interromperà automaticamente le iterazioni ad ogni passaggio temporale una volta raggiunta la convergenza e procederà al passaggio temporale successivo. La convergenza può essere migliorata eseguendo una simulazione di flusso costante con valori di velocità medi e quindi utilizzando i risultati come condizioni iniziali per la simulazione del flusso pulsatile. Selezionare Calcola quando si è pronti per eseguire il risolutore.
9. Il software eseguirà ogni iterazione fino a quando non viene raggiunta la convergenza o Max Iterations fa sì che l'iterazione continui. I file verranno salvati automaticamente nella posizione da (5.5) e i dati della soluzione potranno essere visualizzati nel software ANSYS CFD-Post o ParaView.

Le simulazioni fluidodinamiche computazionali vengono utilizzate per analizzare il flusso sanguigno nel sistema vascolare del paziente per guidare la diagnostica e il trattamento. La fluidodinamica computazionale, o CFD, utilizza metodi di analisi numerica per modellare il flusso dei fluidi e simulare condizioni realistiche per molti scenari di flusso diversi, come il flusso di fluidi intorno a un aereo ad alta velocità, attraverso complesse reti di tubazioni e all'interno del nostro sistema cardiovascolare.

Nelle applicazioni mediche, vengono utilizzate varie tecniche di imaging per ottenere geometrie dei vasi sanguigni. Quindi vengono eseguite simulazioni CFD, che vengono utilizzate per prevedere la progressione della malattia e modellare scenari di trattamento per le disfunzioni vascolari, tra cui malattia coronarica, malformazioni arterovenose e aneurismi.

Questo video illustrerà i principi della CFD, dimostrerà come le geometrie dei vasi sanguigni vengono utilizzate per modellare l'emodinamica ad alta risoluzione e discuterà alcune applicazioni della CFD.

Innanzitutto, comprendiamo le dinamiche cardiovascolari e i principi della CFD.

L'emodinamica cardiovascolare descrive la dinamica del flusso sanguigno nel cuore, anche attraverso i ventricoli sinistro e destro e gli atri, e il flusso sanguigno nei vasi dal cuore al resto del corpo. Le reti vascolari complesse possono essere visualizzate utilizzando l'angiografia a risonanza magnetica e la velocimetria o la fluoroscopia a raggi X. Questi metodi delineano la geometria dei vasi sanguigni del paziente e definiscono le condizioni al contorno del flusso.

Una volta acquisiti, i dati sulla velocità del sangue vengono segmentati in voxel, che sono unità di informazione grafica che definiscono uno spazio 3D, e lo sfasamento viene ottenuto in corrispondenza di ciascun voxel. Questi dipendono dal rapporto giromagnetico, dal campo magnetico principale, dal campo di gradiente applicato e dalla posizione dello spin. Questo a sua volta dipende dalla posizione iniziale della rotazione, dalla velocità di rotazione e dall'accelerazione della rotazione. Tau è il tempo che definisce la quarta dimensione.

Questi parametri sono definiti dalla risonanza magnetica e inseriti nelle simulazioni CFD. La velocità del flusso 3D è determinata risolvendo numericamente le equazioni di Navier-Stokes o NS. Le equazioni NS sono le equazioni che governano il moto dei fluidi risolte per determinare le distribuzioni di velocità e pressione. Tengono conto della densità, della velocità, della pressione e della viscosità dinamica del flusso.

Vedremo ora come questi principi della fluidodinamica vengono applicati alle geometrie dei vasi sanguigni reali per produrre simulazioni CFD ad alta risoluzione.

Prima di iniziare, creare un modello vascolare specifico per il paziente a partire dai dati MRA. Questo può essere fatto utilizzando un software open source per la segmentazione delle immagini.

Per questa dimostrazione, è stata generata una mesh di volume tetraedrico. Ora apri l'interfaccia grafica Python del launcher vmtk. Nel PypePad, inserisci il nome del file necessario. Questo comando essenziale estrarrà il file STL di input dal desktop. Seleziona Esegui, Esegui tutto per caricare i dati nel programma. Si aprirà una nuova finestra che mostra le istruzioni e un rendering del modello di input.

Ruotate il modello e posizionate il cursore su ciascuna posizione di ingresso. Premi la barra spaziatrice per posizionare un seme su un'insenatura. Ripetere l'operazione per tutte le entrate. Quindi premere Q per continuare. Ora ripeti lo stesso posizionamento dei semi per tutti i punti vendita. Premere nuovamente Q e lasciare che il programma venga eseguito. Il file della linea d'asse verrà generato e salvato sul desktop.

Ora siamo pronti per utilizzare lo strumento di visualizzazione open source ParaView per separare i voxel contenenti i dati di flusso dal tessuto stazionario. Individuare i seguenti file: la mesh del volume specifica del paziente, i file Centerline e i file EnSight.case e fare clic su OK per caricare i dati sull'interfaccia. Passare alla tabella Proprietà e selezionare Applica per caricare e leggere tutte le informazioni. Evidenziate quindi la mesh volumetrica nel browser della tubazione.

Nella tabella Proprietà modificare il valore di opacità in un valore compreso tra 0,2 e 0,5. Le linee d'asse e il rendering geometrico dovrebbero ora essere visibili. Quindi, vai al menu in alto e seleziona Filtri, Alfabetico, Ricampiona con set di dati e imposta l'origine come mesh del volume e l'input come file EnSight.case. Fare clic su OK per continuare e applicare il filtro nella tabella Proprietà. Quindi, evidenzia il nuovo Ricampiona con set di dati e riduci l'opacità.

Dal menu in alto, modificare le linee d'asse da Superficie a Punti. Per determinare le condizioni al contorno, andare sul lato destro dell'interfaccia e selezionare lo strumento Dividi vista orizzontale di creazione. Scegliere l'opzione Vista foglio di calcolo. Dalla casella a discesa Visualizzazione, selezionare il file Centerline e scorrere i file, selezionando vari punti per identificare una posizione all'interno di ciascun ingresso e uscita. Ora usa la vista Foglio di calcolo per calcolare il vettore normale tra due punti.

Dopo aver trovato il vettore, attiva ResampleWithDataset e seleziona Filtri, Alfabetico, Sezione. Assicurati che appaia il filtro Sezione, quindi vai alla tabella Proprietà e imposta l'origine del piano come la stessa posizione dei punti X, Y, Z per uno dei due punti utilizzati per calcolare il vettore normale. Utilizzare questa opzione per compilare i valori normali, quindi selezionare Applica. Attiva il filtro Slice appena creato e seleziona Filtri, Alfabetico, Flusso superficiale. Fare clic su Applica, quindi attivare la nuova voce Surface Flow, quindi su Filtri, Alfabetico, Passaggi temporali di gruppo, Applica.

Nella visualizzazione Foglio di calcolo, aprire i dati di GroupTimeSteps e utilizzare Esporta foglio di calcolo o copia e incolla per esportare questi dati in Microsoft Excel. All'interno di ParaView, è possibile determinare le fasi temporali e le dimensioni delle fasi temporali scorrendo il tempo. Per la simulazione, vogliamo che il ciclo cardiaco inizi all'ora uguale a zero. Pertanto, generare la scala temporale adeguata. Quindi attiva il filtro Slice e seleziona Filtri, Alfabetico, Integra variabili.

Dal popup, modificare Attributo per visualizzare Dati cella. In questo modo si ottiene l'area della sezione trasversale della fetta di ingresso. Per rendere i dati di flusso compatibili con ANSYS Fluent, determinare la scala temporale con unità di secondi e la velocità di ingresso con unità di metri al secondo.

La prima riga deve contenere un nome di dati, un numero di colonne, un numero di righe e un trigger binario per la ripetibilità. La riga successiva contiene i nomi per ciascuna delle colonne di dati. Le velocità di flusso, non le velocità, sono impostate sotto la rispettiva intestazione della colonna. Per simulare senza problemi più cicli cardiaci, i valori di velocità iniziale e finale devono essere equivalenti.

Scegliere File, Lettura, Maiuscole e minuscole e aprire il file .cas della mesh del volume utilizzato in precedenza. Selezionare la casella Visualizza mesh dopo la lettura per visualizzare la mesh una volta importata. Selezionare Scala e applicare la conversione di unità necessaria per garantire la corretta dimensione fisica del modello. Selezionare Crea/Modifica materiali e inserire le proprietà del materiale per il sangue.

Ora, seleziona la finestra di comando della console e inserisci il file/. Utilizzare read-transient-table per importare le forme d'onda del flusso transitorio che si trovano nella stessa posizione del file .cas della mesh del volume. Utilizzare le forme d'onda ottenute dalle misurazioni MRI del flusso 4D per impostare le condizioni al contorno di ingresso. Quindi utilizzare un rapporto ponderato tra ingresso e uscita per impostare le condizioni al contorno di uscita.

Impostare gli schemi numerici utilizzati per l'accoppiamento pressione-velocità e la discretizzazione delle equazioni di Navier-Stokes. Quindi, all'interno di Inizializzazione soluzione, impostare tutti i valori iniziali su zero. In Attività di calcolo, designare una cartella della soluzione per salvare i risultati e specificare la frequenza con Salvataggio automatico, Passi temporali ogni volta. In Esegui calcolo, impostare la dimensione del passaggio temporale dai dati delle condizioni al contorno di Excel. Spesso è preferibile selezionare un passo temporale più piccolo e consentire l'interpolazione di Fluent. Ripetere per almeno tre cicli cardiaci.

Infine, imposta il numero massimo di iterazioni tra 300 e 500. Il software interromperà automaticamente le iterazioni ad ogni passo temporale una volta che si verifica la convergenza. Dopo che la simulazione è stata completamente configurata, tornare a Inizializzazione, Inizializza. Tornare a Esegui calcolo e selezionare Calcola per eseguire il risolutore. I dati della soluzione possono ora essere visualizzati nel software ANSYS CFD-Post o ParaView.

Esamineremo ora alcuni dati rappresentativi. Ecco un esempio di aneurisma cerebrale. Dai dati della risonanza magnetica a flusso 4D, sono stati rilevati complessi modelli di flusso di ricircolo all'interno della regione aneurismatica. Tuttavia, la risoluzione è limitata nelle regioni di flusso stagnante osservate nella sezione superiore e inferiore della lesione. Dopo aver eseguito simulazioni CFD, è stata ottenuta una maggiore risoluzione del campo di velocità, in particolare vicino alle pareti del serbatoio.

La CFD può anche essere utilizzata per confrontare diverse condizioni di flusso nello stesso serbatoio. Ad esempio, le simulazioni di un clipping chirurgico dell'arteria cerebrale anteriore destra e sinistra aiutano a visualizzare gli effetti della procedura sulla dinamica del flusso.

Le simulazioni fluidodinamiche computazionali del flusso sanguigno sono strumenti utili utilizzati in varie applicazioni biomediche.

Ad esempio, le condizioni emodinamiche all'interno del sistema vascolare influenzano lo sviluppo e la progressione delle malattie arteriose, tra cui l'aterosclerosi e gli aneurismi. Poiché le misurazioni dirette sono difficili da acquisire in vivo, la CFD è uno strumento di ricerca standard che viene utilizzato per modellare la dinamica del flusso sanguigno. Può fornire ai medici una guida per la diagnostica e diversi scenari di trattamento.

Oltre alla modellazione vascolare, le simulazioni CFD servono a simulare il flusso d'aria sulla base di modelli di vie aeree nasali. È particolarmente utile progettare protocolli per erogare, in modo adeguato e controllato, aerosol farmaceutici a regioni olfattive mirate che interagiscono direttamente con il cervello.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla fluidodinamica computazionale per simulare il flusso sanguigno. A questo punto è necessario comprendere come è possibile modellare la dinamica del flusso sanguigno ad alta risoluzione sulla base di geometrie tridimensionali dei vasi. Grazie per l'attenzione!