Simulações computacionais de fluidodinâmica do fluxo sanguíneo em um aneurisma cerebral

Simulações computacionais de fluidodinâmica são usadas para analisar o fluxo sanguíneo na vasculatura do paciente para orientar o diagnóstico e o tratamento. A dinâmica de fluidos computacional, ou CFD, usa métodos de análise numérica para modelar o fluxo de fluido e simular condições realistas para muitos cenários de fluxo diferentes, como o fluxo de fluido em torno de um avião de alta velocidade, através de redes de tubulação complexas e dentro de nosso sistema cardiovascular.

Na aplicação médica, várias técnicas de imagem são usadas para obter geometrias de vasos sanguíneos. Em seguida, são realizadas simulações de CFD, que são usadas para prever a progressão da doença e modelar cenários de tratamento para disfunções da vasculatura, incluindo doença cardíaca coronária, malformações arteriovenosas e aneurismas.

Este vídeo ilustrará os princípios da CFD, demonstrará como as geometrias dos vasos sanguíneos são usadas para modelar hemodinâmica de alta resolução e discutirá algumas aplicações da CFD.

Primeiro, vamos entender a dinâmica cardiovascular e os princípios da CFD.

A hemodinâmica cardiovascular descreve a dinâmica do fluxo sanguíneo no coração, inclusive através dos ventrículos esquerdo e direito e átrios, e o fluxo sanguíneo nos vasos do coração para o resto do corpo. Redes vasculares complexas podem ser visualizadas usando angiografia por ressonância magnética e velocimetria ou fluoroscopia de raios-X. Esses métodos descrevem a geometria dos vasos sanguíneos do paciente e definem as condições de contorno do fluxo.

Uma vez adquirido, os dados de velocidade do sangue são segmentados em voxels, que são unidades de informação gráfica que definem um espaço 3D, e a mudança de fase é obtida em cada voxel. Estes dependem da razão giromagnética, do campo magnético principal, do campo de gradiente aplicado e da posição do spin. Isso, por sua vez, depende da posição inicial do giro, da velocidade de giro e da aceleração do giro. Tau é o tempo que define a quarta dimensão.

Esses parâmetros são definidos pela ressonância magnética e inseridos em simulações CFD. A velocidade do fluxo 3D é determinada resolvendo numericamente as equações de Navier-Stokes ou NS. As equações NS são as equações governantes do movimento do fluido resolvidas para determinar as distribuições de velocidade e pressão. Eles levam em consideração a densidade, velocidade, pressão e viscosidade dinâmica do fluxo.

Veremos agora como esses princípios de dinâmica de fluidos são aplicados a geometrias reais de vasos sanguíneos para produzir simulações CFD de alta resolução.

Antes de começar, crie um modelo de vasculatura específico do paciente a partir de dados de ARM. Isso pode ser feito usando software de código aberto para segmentação de imagens.

Para esta demonstração, foi gerada uma malha de volume tetraédrico. Agora abra a GUI Python do inicializador vmtk. No PypePad, insira o nome do arquivo necessário. Este comando básico extrairá o arquivo STL de entrada da área de trabalho. Selecione Executar, Executar tudo para carregar os dados no programa. Uma nova janela será aberta exibindo instruções e uma renderização do modelo de entrada.

Gire o modelo e coloque o cursor em cada local de entrada. Pressione a barra de espaço para colocar uma semente em uma entrada. Repita isso para todas as entradas. Em seguida, pressione Q para continuar. Agora repita a mesma colocação de sementes para todas as saídas. Pressione Q novamente e deixe o programa ser executado. O arquivo da linha de centro será gerado e salvo na área de trabalho.

Agora estamos prontos para usar a ferramenta de visualização de código aberto ParaView para separar os voxels contendo dados de fluxo do tecido estacionário. Localize os seguintes arquivos: a malha de volume específica do paciente, os arquivos Centerline e os arquivos EnSight.case e clique em OK para carregar os dados na interface. Navegue até a tabela Propriedades e selecione Aplicar para carregar e ler todas as informações. Em seguida, realce a malha volumétrica no navegador do pipeline.

Na tabela Propriedades, altere o valor de opacidade para entre 0,2 e 0,5. As linhas de centro e a renderização geométrica agora devem estar visíveis. Em seguida, vá para o menu superior e selecione Filtros, Alfabético, Reamostrar com conjunto de dados e defina a origem como a malha de volume e a entrada como o arquivo EnSight.case. Clique em OK para continuar e aplique o filtro na tabela Propriedades. Em seguida, realce o novo Resample With Dataset e reduza a opacidade.

No menu superior, altere as linhas de centro de Superfície para Pontos. Para determinar as condições de limite, vá para o lado direito da interface e selecione a ferramenta Criar exibição horizontal dividida. Escolha a opção Exibição de planilha. Na caixa suspensa Mostrando, selecione o arquivo Linha de centro e percorra os arquivos, selecionando vários pontos para identificar um local dentro de cada entrada e saída. Agora use o Modo de Exibição SpreadSheet para calcular o vetor normal entre dois pontos.

Depois de encontrar o vetor, ative o ResampleWithDataset e selecione Filtros, Alfabético, Fatia. Certifique-se de que o filtro Fatia apareça, vá para a tabela Propriedades e defina a origem do plano como a mesma localização do ponto X, Y, Z para um dos dois pontos usados para calcular o vetor normal. Use isso para preencher os valores normais e selecione Aplicar. Ative o filtro Fatia recém-criado e selecione Filtros, Alfabético, Fluxo de superfície. Clique em Aplicar e ative o novo item Fluxo de superfície, seguido por Filtros, Alfabético, Etapas de tempo do grupo, Aplicar.

No Modo de Exibição de Planilha, abra os dados GroupTimeSteps e use Exportar Planilha ou copie e cole para exportar esses dados para o Microsoft Excel. No ParaView, determine os Intervalos de tempo e o tamanho do Passo de tempo percorrendo o tempo. Para a simulação, queremos que o ciclo cardíaco comece no tempo igual a zero. Portanto, gere a escala de tempo adequada. Em seguida, ative o filtro Fatiar e selecione Filtros, Alfabético, Integrar variáveis.

No pop-up, altere Atributo para exibir Dados da célula. Isso fornece a área da seção transversal da fatia de entrada. Para tornar os dados de fluxo compatíveis com o ANSYS Fluent, determine a escala de tempo com unidades de segundos e a velocidade de entrada com unidades de metros por segundo.

A primeira linha deve conter um nome de dados, um número de colunas, um número de linhas e um gatilho binário para repetibilidade. A próxima linha contém os nomes de cada uma das colunas de dados. As velocidades de fluxo, não as taxas, são definidas abaixo do respectivo cabeçalho da coluna. Para simular vários ciclos cardíacos sem problemas, os valores de velocidade inicial e final devem ser equivalentes.

Escolha File, Read, Case e abra o arquivo .cas de malha de volume que foi usado anteriormente. Marque a caixa Exibir malha após a leitura para mostrar a malha depois de importada. Selecione Escala e aplique a conversão de unidade necessária para garantir o tamanho físico correto do modelo. Selecione Criar/editar materiais e insira as propriedades do material para sangue.

Agora, selecione a janela de comando Console e o arquivo de entrada/. Use read-transient-table para importar as formas de onda de fluxo transiente localizadas no mesmo local que o arquivo .cas da malha de volume. Use as formas de onda obtidas a partir das medições de ressonância magnética de fluxo 4D para definir as condições de contorno de entrada. Em seguida, use uma proporção ponderada de entrada para saída para definir as condições de limite de saída.

Defina os esquemas numéricos usados para acoplamento de velocidade de pressão e discretização das equações de Navier-Stokes. Em seguida, em Inicialização da solução, defina todos os valores iniciais como zero. Em Atividades de Cálculo, designe uma pasta de solução para salvar os resultados e especifique a frequência com Salvamento Automático, Todas as Etapas de Tempo. Em Executar Cálculo, configure o Tamanho da Etapa de Tempo a partir dos dados de condições de limite do Excel. Muitas vezes, é preferível selecionar um intervalo de tempo menor e permitir que o Fluent interpole. Repita por pelo menos três ciclos cardíacos.

Por fim, defina o máximo de iterações entre 300 e 500. O software interromperá automaticamente as iterações em cada Etapa de Tempo assim que a convergência ocorrer. Depois que a simulação estiver totalmente configurada, volte para Inicialização, Inicializar. Retorne para Executar cálculo e selecione Calcular para executar o solucionador. Os dados da solução agora podem ser visualizados no software ANSYS CFD-Post ou ParaView.

Vamos agora examinar alguns dados representativos. Aqui está um exemplo de um aneurisma cerebral. A partir de dados de ressonância magnética de fluxo 4D, foram detectados padrões complexos de fluxo de recirculação na região do aneurisma. No entanto, a resolução é limitada nas regiões de fluxo estagnado observadas na parte superior e inferior da lesão. Após a execução de simulações de CFD, foi obtida maior resolução do campo de velocidade, principalmente perto das paredes do vaso.

O CFD também pode ser usado para comparar diferentes condições de fluxo na mesma embarcação. Por exemplo, simulações de um clipe cirúrgico da artéria cerebral anterior direita e esquerda ajudam a visualizar os efeitos do procedimento na dinâmica do fluxo.

Simulações fluidodinâmicas computacionais do fluxo sanguíneo são ferramentas úteis usadas em várias aplicações biomédicas.

Por exemplo, as condições hemodinâmicas dentro da vasculatura afetam o desenvolvimento e a progressão de doenças arteriais, incluindo aterosclerose e aneurismas. Como as medições diretas são difíceis de adquirir in vivo, o CFD é uma ferramenta de pesquisa padrão usada para modelar a dinâmica do fluxo sanguíneo. Ele pode fornecer orientação médica para diagnósticos, bem como diferentes cenários de tratamento.

Além da modelagem vascular, as simulações de CFD servem para simular o fluxo de ar com base em modelos de vias aéreas nasais. É particularmente útil projetar protocolos para entregar, de maneira adequada e controlada, aerossóis farmacêuticos a regiões olfativas direcionadas que interagem diretamente com o cérebro.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à dinâmica de fluidos computacional para simular o fluxo sanguíneo. Agora você deve entender como a dinâmica do fluxo sanguíneo de alta resolução pode ser modelada com base em geometrias tridimensionais dos vasos. Obrigado por assistir!