Simulações computacionais de fluidodinâmica do fluxo sanguíneo em um aneurisma cerebral

Um precursor do tutorial é a criação de um modelo de vasculatura específico do paciente. Nesta demonstração, as ferramentas Materializar Mimics, 3D Systems Geomagic Design X e Altair HyperMesh foram utilizadas para gerar uma malha de volume tetraédral a partir de dados mra.

1. Gerar linhas centrais de embarcações para o modelo

1. Abra o vmtk-launcher python GUI. No PypePad, digite: vmtkcenterlines -ifile [arquivo STL salvo em desktop].stl -ofile [nome STL]centerlines.vtp
2. Selecione Executar, executar tudo para carregar os dados no programa. Uma nova janela será aberta que exibe instruções e uma renderização do modelo de entrada. Gire o modelo e coloque o curser em cada local de entrada. Pressione a barra espacial para colocar uma semente.
3. Depois de colocar sementes em todas as entradas, pressione 'Q' para continuar. Repita a mesma colocação de sementes para todas as tomadas. Depois de colocar as sementes de saída, pressione 'Q' novamente e deixe o programa funcionar. Isso salvará o arquivo da linha central na área de trabalho.

2. Configuração de dados em software de visualização

1. Inicie a ferramenta de visualização de código aberto, ParaView (versão 5.4.1 usada neste procedimento).
2. Selecione Arquivo, Abra...e localize os arquivos criados anteriormente: a malha de volume específica do paciente, os arquivos de linha central e os arquivos EnSight.case.s. Depois de clicar em Ok,todos os dados devem ser carregados na interface.
3. Na tabela Propriedades inferiores esquerdas, selecione Aplicar. Este comando carregará e lerá todas as informações que um usuário carregou ou alterou no ParaView. Destaque a malha de volume clicando em seu nome dentro do Navegador Pipeline para ativar esta seleção.
4. Novamente, na tabela Propriedades, role e altere o valor da Opacidade para algo entre 0,2 e 0,5. Agora, as linhas centrais e renderizações de geometria devem ser visíveis.

3. Remap 4D Flow MRI dados com a grade de malha volumostrica e excluir ruído

1. No menu superior, selecione Filtros, Alfabética, ResampleWithDataset. Uma nova janela se abrirá. Defina a Fonte como a malha de volume e a entrada como o arquivo EnSight.case. Selecione Ok uma vez que estes são definidos.
2. Na tabela Propriedades, selecione Aplicar para aplicar o filtro.
3. Como antes, destaque o novo nome ResampleWithDataset# para ativá-lo. Reduza a opacidade desta nova renderização como mencionado anteriormente. Além disso, altere o centro-da-linha de Superfície para Pontos no menu superior.

4. Determinar as condições do limite de fluxo de entrada e saída

1. No lado direito da interface, ao lado de maximizar e minimizar as opções de renderização, selecione a ferramenta Criar exibição (quadrado com linha vertical). Selecione a opção Exibir planilha.
2. Na caixa de dropdown Showing, selecione os arquivos da linha central. Apenas um tipo de arquivo pode ser selecionado por vez. Ciclo através dos dados, selecionando vários pontos para identificar um local dentro de cada entrada e tomada.
3. Agora, use o SpreadSheet View abaixo de Pontos para calcular o vetor normal entre dois pontos próximos aos mesmos locais encontrados (4.2).
4. Depois de encontrar o vetor normal para cada local de entrada e saída, selecione Filtros, Alfabética, Fatia. Certifique-se de ativar o ResampleWithDataset# de antemão.
5. O filtro Slice precisa aparecer sob um novo ramo vindo do ResampleWithDataset#. Na tabela Propriedades, defina a Origem do plano como o mesmo local de ponto XYZ para um dos dois pontos usados para calcular o vetor normal. Use o vetor normal de (4.3) para preencher os valores Normais. Selecione Aplicar.
6. Destaque/ative o filtro Slice# criado e selecione Filtros, Alfabéticos, Fluxo de Superfíciee, em seguida, Aplique. Ative o novo item SurfaceFlow# no Navegador pipelinee aplique os filtros, alfabéticos, passos de tempo de grupo, aplique.
7. No SpreadSheet View, abra os dados groupTimeSteps#. Exporte esses dados para o Microsoft Excel através de copiar e colar ou usar planilha de exportação.
8. No Excel, calcule os valores ponderados correspondentes à razão da taxa de fluxo em cada tomada para a taxa total de fluxo de entrada. Devido ao ruído e erro inerentes aos dados de ressonância magnética de fluxo 4D, identifique o menor navio (geralmente com dados menos confiáveis) para deixar "aberto" para garantir a conservação da massa.
9. No software de simulação CFD, as formas de onda de fluxo transitórias são importadas usando o comando read-transient-tables; portanto, salve os dados de fluxo de entrada em um formato compatível e .txt descrito nos tutoriais online.

5. Configurar simulações de CFD

1. Abra o software de simulação CFD. Aqui usamos ANSYS Fluent (versão 18.1 descrita neste procedimento como padrão). Escolha arquivo, leiturae caso...e abra o arquivo de malha de volume .cas usado anteriormente no ParaView. Exibir a malha (este procedimento usa um arquivo .cas gerado com Altair HyperMesh) selecionando Display..., Display.
2. É importante dimensionar a geometria para garantir o tamanho físico correto do modelo. Selecione Escala... e aplique qualquer conversão de unidade necessária para o caso específico efeche .
3. Selecione Materiais, Crie/Edite para inserir as propriedades do material para sangue. Este tutorial utiliza valores fisiologicamente relevantes de 1060 kg/s e 0,0035 kg/ms para densidade e viscosidade, respectivamente.
4. Defina as Condições de Limite de Fluxo Transitório, prescrevendo fluxo de massa ou taxas de fluxo de velocidade em função do tempo para cada entrada. Use as formas de onda obtidas a partir da medição da ressonância magnética de fluxo 4D para prescrever as condições de limite de entrada. As tomadas recebem valores ponderados encontrados em (4,8).
5. Sob Solução, Métodos, definir os esquemas numéricos utilizados para a discretização espacial e temporal das equações de Navier-Stokes. Para este procedimento, use acoplamento acopladoa pressão total, baseado em células de menos quadrados (gradiente), esquema de Segunda Ordem para pressão, esquema MUSCL de terceira ordem para equações de momento e esquema implícito de segunda ordem para discretização no tempo. Certifique-se de que o parâmetro Time no canto superior esquerdo foi definido como Transinte.
6. Em Solução, Inicialização,selecione Inicialização padrão. Com todos os Valores Iniciais definidos para 0,selecione Inicializar. Agora o programa está pronto para ser executado. Designe uma pasta de solução para salvar resultados a cada autosave cada (etapas de tempo) abaixo das atividades de cálculo.
7. Nas etapas finais, configure o Tamanho da etapa de tempo(s) em Cálculo de Execução. Use os dados de condição de limite do Excel em (4.7) para determinar esse valor. Reduzir a etapa de tempo facilita a convergência e melhora a precisão da solução numérica, ao mesmo tempo em que aumenta o tempo de solução. É uma boa prática executar a simulação por pelo menos três ciclos cardíacos completos para eliminar o efeito dos transitórios iniciais.
8. Por fim, defina as Iterações Max para cada passo de cada vez entre 300 e 500. O software interromperá automaticamente as iterações em cada etapa de tempo, uma vez que a convergência seja alcançada e prossiga para a etapa de tempo seguinte. A convergência pode ser melhorada executando uma simulação de fluxo constante com valores de velocidade médias e, em seguida, usando os resultados como as condições iniciais para a simulação de fluxo pulsante. Selecione Calcular quando estiver pronto para executar o solucionador.
9. O software executará cada iteração até que a convergência seja alcançada ou as Iterações Max farão com que a iteração continue. Os arquivos serão salvos automaticamente na localização a partir de (5.5), e os dados da solução podem ser visualizados tanto no software ANSYS CFD-Post quanto no ParaView.