What is computational fluid dynamics and how is it used in medical applications?

Computational fluid dynamics (CFD) uses numerical analysis methods to model fluid flow and simulate realistic conditions. In medical applications, CFD analyzes blood flow in patient vasculature to predict disease progression and model treatment scenarios for conditions including coronary heart disease, arteriovenous malformations, and aneurysms. CFD provides physicians guidance for diagnostics and different treatment options.

How are blood vessel geometries obtained for CFD simulations?

Blood vessel geometries are obtained using imaging techniques such as magnetic resonance angiography (MRA) and X-ray fluoroscopy. These methods outline the patient's blood vessel geometry and define flow boundary conditions. The blood velocity data are then segmented into voxels, which are units defining 3D space, and the phase shift is obtained at each voxel to determine 3D flow velocity.

What are the Navier-Stokes equations and why are they important in CFD?

The Navier-Stokes (NS) equations are the governing equations of fluid motion that determine velocity and pressure distributions in blood flow. They account for density, velocity, pressure, and dynamic viscosity of the flow. These equations are numerically solved to produce high-resolution hemodynamic predictions in patient-specific vessel models.

How does CFD improve upon direct blood flow measurements?

Direct measurements of intraluminal pressure, wall shear stress, and particle residence time are difficult to acquire in vivo. CFD allows these hemodynamic variables to be assessed non-invasively with superior resolution. It can distinguish high-speed jets from slow recirculating vortices observed in diseased blood vessels, providing comprehensive depiction of patient-specific flow fields.

What software tools are used to process vessel data and run CFD simulations?

Open-source software such as vmtk launcher and ParaView are used for image segmentation and visualization. ParaView separates voxels containing flow data from stationary tissue and determines boundary conditions. Commercial software like ANSYS Fluent imports the volume mesh and transient flow waveforms from 4D flow MRI measurements to run the CFD simulation.

How can CFD simulations help physicians plan surgical interventions?

CFD is used to simulate surgical techniques such as arterial clipping, which provides physicians better foresight regarding post-operative flow conditions. Simulations can visualize the effects of procedures on flow dynamics before surgery. This allows physicians to compare different treatment scenarios and choose the approach most likely to improve hemodynamic conditions.

What hemodynamic factors affect the development of vascular diseases?

Hemodynamic conditions within the vasculature significantly affect the development and progression of arterial diseases, including atherosclerosis and aneurysms. CFD simulations reveal complex recirculating flow patterns and stagnant flow regions that contribute to disease formation. Understanding these flow dynamics helps identify risk factors and guide treatment strategies for vascular dysfunction.

Symulacje obliczeniowej dynamiki płynów przepływu krwi w tętniaku mózgu

0 wyświetleń12:39 min

Wstępem do samouczka jest stworzenie specyficznego dla pacjenta modelu naczyniowego. W tej demonstracji narzędzia Materialise Mimics, 3D Systems Geomagic Design X i Altair HyperMesh zostały wykorzystane do wygenerowania czworościennej siatki objętościowej na podstawie danych MRA.

1. Wygeneruj osie statku dla modelu

Otwórz graficzny interfejs użytkownika języka Python vmtk-launcher. W PypePad wpisz: vmtkcenterlines -ifile [Plik STL zapisany na pulpicie].stl -ofile [Nazwa STL]centerlines.vtp
Wybierz Run, Run all, aby załadować dane do programu. Otworzy się nowe okno, w którym wyświetlane są instrukcje i renderowanie modelu wejściowego. Obróć model i umieść klątwę w każdym miejscu wlotu. Naciśnij spację, aby umieścić nasiono.
Po umieszczeniu nasion na wszystkich wlotach naciśnij "Q", aby kontynuować. Powtórz to samo rozmieszczenie nasion dla wszystkich wylotów. Po umieszczeniu nasion wylotowych ponownie naciśnij "Q" i pozwól programowi działać. Spowoduje to zapisanie pliku linii środkowej na pulpicie.

2. Konfiguracja danych w oprogramowaniu do wizualizacji

Uruchom narzędzie do wizualizacji typu open source, ParaView (wersja 5.4.1 używana w tej procedurze).
Wybierz File, Open... i zlokalizuj poprzednio utworzone pliki: siatkę woluminów specyficzną dla pacjenta, pliki linii środkowej i plik(i) EnSight.case. Po kliknięciu Ok wszystkie dane powinny zostać załadowane do interfejsu.
Z lewej dolnej tabeli Properties wybierz Apply. To polecenie załaduje i odczyta wszystkie informacje, które użytkownik załadował lub zmienił w ParaView. Podświetl siatkę woluminów, klikając jej nazwę w Przeglądarka potoków, aby aktywować ten wybór.
Ponownie w tabeli Properties przewiń i zmień wartość Opacity na wartość z przedziału 0,2 - 0,5. Teraz linie środkowe i renderingi geometrii powinny być widoczne.

3. Odwzorowanie danych 4D Flow MRI za pomocą wolumetrycznej siatki siatkowej i usunięcie szumu

Z górnego menu wybierz Filters, Alphabetical, ResampleWithDataset. Otworzy się nowe okno. Ustaw Źródło jako siatkę woluminu, a Dane wejściowe jako plik EnSight.case. Wybierz Ok po ich ustawieniu.
W tabeli Properties wybierz Apply, aby zastosować filtr.
Tak jak poprzednio, zaznacz nową nazwę ResampleWithDataset#, aby ją aktywować. Zmniejsz przezroczystość tego nowego renderingu, jak wspomniano wcześniej. Ponadto zmień linię środkową z Surface na Points w górnym menu.

4. Określ warunki brzegowe przepływu wlotowego i wylotowego

Po prawej stronie interfejsu, obok opcji maksymalizacji i minimalizacji renderowania, wybierz narzędzie Create View (kwadrat z pionową linią). Wybierz opcję Widok arkusza kalkulacyjnego.
Z listy rozwijanej Wyświetlanie wybierz plik(i) linii środkowej. W danej chwili można wybrać tylko jeden typ pliku. Przeglądaj dane, wybierając różne punkty, aby zidentyfikować lokalizację w każdym wlocie i wylocie.
Teraz użyj widoku arkusza kalkulacyjnego pod Points, aby obliczyć wektor normalny między dwoma punktami w pobliżu tych samych lokalizacji znalezionych w (4.2).
Po znalezieniu wektora normalnego dla każdej lokalizacji wlotu i wylotu, wybierz Filters, Alphabetical, Slice. Upewnij się, że wcześniej aktywowałeś ResampleWithDataset#.
Filtr Slice musi pojawić się pod nową gałęzią pochodzącą z ResampleWithDataset#. W tabeli Properties ustaw płaszczyznę Origin jako to samo położenie punktu XYZ dla jednego z dwóch punktów używanych do obliczania wektora normalnego. Użyj wektora normalnego z (4.3), aby wypełnić wartości Normal. Wybierz Zastosuj.
Podświetl/aktywuj właśnie utworzony filtr Slice# i wybierz Filtry, Alfabetycznie, Przepływ powierzchniowy, a następnie Zastosuj. Aktywuj nowy element SurfaceFlow# w Przeglądarka potoków i zastosuj Filtry, Alfabetycznie, Kroki czasowe grupy, Zastosuj.
W SpreadSheet View otwórz dane GroupTimeSteps#. Wyeksportuj te dane do programu Microsoft Excel poprzez kopiowanie i wklejanie lub użycie Eksportuj arkusz kalkulacyjny.
W programie Excel oblicz wartości ważone odpowiadające stosunkowi natężenia przepływu na każdym wylocie do całkowitego natężenia przepływu na wlocie. Ze względu na nieodłączny szum i błąd danych 4D Flow MRI, zidentyfikuj najmniejszy (zazwyczaj z mniej wiarygodnymi danymi) statek, który należy pozostawić "otwarty", aby zapewnić zachowanie masy.
W oprogramowaniu symulacyjnym CFD przebiegi przepływu przejściowego są importowane za pomocą polecenia read-transient-tables; W związku z tym należy zapisać dane dotyczące przepływu na wlocie w zgodnym formacie .txt opisanym w samouczkach online.

5. Konfiguracja symulacji CFD

Otwórz oprogramowanie do symulacji CFD. Tutaj używamy ANSYS Fluent (wersja 18.1 opisana w tej procedurze jako domyślna). Wybierz File, Read i Case... i otwórz plik .cas siatki woluminu używany wcześniej w ParaView. Wyświetl siatkę (w tej procedurze użyto pliku .cas wygenerowanego za pomocą Altair HyperMesh), wybierając Display..., Display.
Ważne jest, aby przeskalować geometrię, aby zapewnić prawidłowy rozmiar fizyczny modelu. Wybierz Scale... i zastosuj dowolną konwersję jednostek, która jest niezbędna dla konkretnego przypadku, a następnie Close.
Wybierz Materials, Create/Edit , aby wprowadzić właściwości materiału dla krwi. W tym samouczku wykorzystano fizjologicznie istotne wartości 1060 kg/s i 0,0035 kg/ms odpowiednio dla gęstości i lepkości.
Ustaw przepływ przejściowy Warunki brzegowe, określając przepływ masowy lub prędkość przepływu w funkcji czasu dla każdego wlotu. Użyj przebiegów uzyskanych z pomiaru 4D Flow MRI, aby określić warunki brzegowe wlotu. Gniazdom podano wartości ważone znajdujące się w (4.8).
W Rozwiązanie, Metody ustaw schematy numeryczne używane do przestrzennej i czasowej dyskretyzacji równań Naviera-Stokesa. Do tej procedury użyj Coupled, który umożliwia pełne sprzężenie ciśnienie-prędkość, Lack Cell Based (gradient), Schemat drugiego rzędu dla ciśnienia, Schemat MUSCL trzeciego rzędu dla równań pędu i schemat Niejawny drugiego rzędu dla dyskretyzacji w czasie. Upewnij się, że parametr Time w lewym górnym rogu został ustawiony na Transient.
W obszarze Solution, Initialization wybierz Standard Initialization. Gdy wszystkie Wartości początkowe są ustawione na 0, wybierz Initialize. Teraz program jest ustawiony do uruchomienia. Wyznacz folder rozwiązania, aby zapisywać wyniki co Autozapisuj co (kroki czasowe) pod Obliczenia.
W ostatnich krokach ustaw Time Step Size(s) w Run Calculation. Użyj danych warunku brzegowego programu Excel w (4.7), aby określić tę wartość. Skrócenie kroku czasowego ułatwia konwergencję i poprawia dokładność rozwiązania numerycznego, jednocześnie wydłużając czas rozwiązania. Dobrą praktyką jest przeprowadzanie symulacji przez co najmniej trzy pełne cykle pracy serca w celu wyeliminowania wpływu początkowych stanów nieustalonych.
Na koniec ustaw Max Iterations dla każdego kroku czasowego między 300 - 500. Oprogramowanie automatycznie zatrzyma iteracje w każdym kroku czasowym po osiągnięciu zbieżności i przejdzie do następnego kroku czasowego. Konwergencję można poprawić, przeprowadzając symulację stałego przepływu z uśrednionymi wartościami prędkości, a następnie wykorzystując wyniki jako warunki początkowe dla symulacji przepływu pulsacyjnego. Wybierz Oblicz, gdy wszystko będzie gotowe do uruchomienia solvera.
Oprogramowanie będzie uruchamiać każdą iterację, dopóki nie zostanie osiągnięta zbieżność lub Max Iterations spowoduje kontynuację iteracji. Pliki zostaną automatycznie zapisane w lokalizacji z (5.5), a dane rozwiązania mogą być wizualizowane w oprogramowaniu ANSYS CFD-Post lub ParaView.