Моделирование кровотока при аневризме головного мозга с помощью вычислительной гидродинамики

Вычислительное гидродинамическое моделирование используется для анализа кровотока в сосудистой сети пациента для руководства диагностикой и лечением. Вычислительная гидродинамика, или вычислительная гидродинамика, использует методы численного анализа для моделирования потока жидкости и симуляции реалистичных условий для множества различных сценариев потока, таких как поток жидкости вокруг высокоскоростного самолета, через сложные трубопроводные сети и в нашей сердечно-сосудистой системе.

В медицине для получения геометрии кровеносных сосудов используются различные методы визуализации. Затем выполняется CFD-моделирование, которое используется для прогнозирования прогрессирования заболевания и моделирования сценариев лечения сосудистых дисфункций, включая ишемическую болезнь сердца, артериовенозные мальформации и аневризмы.

В этом видео будут проиллюстрированы принципы работы с вычислительной гидродинамикой, показано, как геометрия кровеносных сосудов используется для моделирования гемодинамики с высоким разрешением, а также обсуждены некоторые области применения вычислительной гидродинамики.

Для начала разберемся в сердечно-сосудистой динамике и принципах работы CFD.

Сердечно-сосудистая гемодинамика описывает динамику кровотока в сердце, в том числе через левый и правый желудочки и предсердия, и кровоток в сосудах от сердца к остальной части тела. Сложные сосудистые сети могут быть визуализированы с помощью магнитно-резонансной ангиографии и велоциметрии или рентгеноскопии. Эти методы очерчивают геометрию кровеносных сосудов пациента и определяют граничные условия потока.

Как только они получены, данные о скорости крови сегментируются на воксели, которые являются единицами графической информации, определяющими трехмерное пространство, и фазовый сдвиг получается в каждом вокселе. Они зависят от гиромагнитного соотношения, основного магнитного поля, приложенного градиентного поля и положения спина. Это, в свою очередь, зависит от начального положения вращения, скорости вращения и ускорения вращения. Тау — это время, определяющее четвертое измерение.

Эти параметры определяются МРТ и вводятся в CFD-моделирование. Скорость 3D потока определяется путем численного решения уравнений Навье-Стокса или уравнений NS. Уравнения NS — это определяющие уравнения движения жидкости, решаемые для определения распределений скорости и давления. Они учитывают плотность, скорость, давление и динамическую вязкость потока.

Теперь мы увидим, как эти принципы гидродинамики применяются к реальной геометрии кровеносных сосудов для создания CFD-моделирования с высоким разрешением.

Прежде чем начать, создайте модель сосудистой сети для конкретного пациента на основе данных MRA. Это можно сделать с помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом для сегментации изображений.

Для этой демонстрации была создана тетраэдрическая объемная сетка. Теперь откройте графический интерфейс Python для запуска vmtk. В PypePad введите имя нужного файла. Эта базовая команда извлечет входной STL-файл с рабочего стола. Выберите Выполнить, Запустить все, чтобы загрузить данные в программу. Откроется новое окно, в котором отображаются инструкции и рендеринг входной модели.

Поверните модель и наведите курсор на каждое место впуска. Нажмите клавишу пробела, чтобы поместить затравку на одно из входных отверстий. Повторите это для всех входных отверстий. Затем нажмите Q для продолжения. Теперь повторите одно и то же размещение семян для всех торговых точек. Нажмите Q еще раз и дайте программе запуститься. Файл центральной линии будет сгенерирован и сохранен на рабочем столе.

Теперь мы готовы использовать инструмент визуализации с открытым исходным кодом ParaView для отделения вокселей, содержащих данные о потоке, от неподвижных тканей. Найдите следующие файлы: объемную сетку для конкретного пациента, файлы Centerline и файлы EnSight.case и нажмите OK, чтобы загрузить данные в интерфейс. Перейдите в таблицу Свойства и выберите Применить, чтобы загрузить и прочитать всю информацию. Затем выделите объемную сетку в браузере трубопроводов.

В таблице свойств измените значение непрозрачности на значение от 0,2 до 0,5. Теперь должны быть видны осевые линии и геометрический рендеринг. Затем перейдите в верхнее меню и выберите «Фильтры», «Алфавитный», «Повторная выборка с набором данных» и установите источник в качестве объемной сетки, а входные данные — в виде файла EnSight.case. Нажмите OK, чтобы продолжить, и примените фильтр в таблице Свойства. Затем выделите новую опцию Респлинг с набором данных и уменьшите непрозрачность.

В верхнем меню измените осевые линии с «Поверхность» на «Точки». Чтобы определить граничные условия, перейдите в правую часть интерфейса и выберите инструмент Split Horizontal Create View. Выберите опцию «Представление таблицы». В раскрывающемся списке Отображение выберите файл Центральная линия и переключайтесь между файлами, выбирая различные точки для определения местоположения в каждом входе и выходе. Теперь используйте вид SpreadSheet для вычисления вектора нормали между двумя точками.

После нахождения вектора активируйте ResampleWithDataset и выберите Filters, Alphabetical, Slice. Убедитесь, что появился фильтр «Срез», затем перейдите в таблицу «Свойства» и установите начало координат плоскости как то же местоположение точки X, Y, Z для одной из двух точек, используемых для вычисления вектора нормали. Используйте это для заполнения обычных значений, а затем нажмите кнопку Применить. Активируйте только что созданный фильтр «Срез» и выберите «Фильтры», «Алфавитный», «Поверхностный поток». Нажмите «Применить», затем активируйте новый элемент «Поверхностный поток», а затем «Фильтры», «В алфавитном порядке», «Сгруппировать временные шаги», «Применить».

В представлении SpreadSheet откройте данные GroupTimeSteps и используйте функцию Экспорт таблицы или скопируйте и вставьте для экспорта этих данных в Microsoft Excel. В ParaView определите временные шаги и размер временного шага путем циклического перемещения по времени. Для моделирования мы хотим, чтобы сердечный цикл начинался в момент, равный нулю. Поэтому сгенерируйте адекватную временную шкалу. Затем активируйте фильтр «Срез» и выберите «Фильтры», «Алфавитные», «Интегрировать переменные».

Во всплывающем окне измените Атрибут на отображение Данных ячейки. Это позволяет получить площадь поперечного сечения входного среза. Чтобы сделать данные о потоке совместимыми с ANSYS Fluent, определите временную шкалу в единицах секунд, а скорость на входе в единицах измерения в метрах в секунду.

Первая строка должна содержать имя данных, количество столбцов, количество строк и двоичный триггер для повторяемости. Следующая строка содержит имена для каждого из столбцов данных. Скорости потока, а не скорости, задаются под соответствующим заголовком столбца. Для того чтобы плавно моделировать несколько сердечных циклов, начальные и конечные значения скорости должны быть эквивалентны.

Выберите «Файл», «Чтение», «Регистр» и откройте файл сетки тома .cas, который использовался ранее. Установите флажок Отображать сетку после чтения, чтобы отобразить сетку после импорта. Выберите Масштаб и примените необходимое преобразование единиц измерения, чтобы обеспечить правильный физический размер модели. Выберите «Создать/Редактировать материалы» и введите свойства материала для крови.

Теперь выберите окно команд консоли и введите файл/. Используйте read-transient-table для импорта осциллограмм переходного потока, расположенных в том же месте, что и файл .cas объемной сетки. Используйте осциллограммы, полученные в результате измерений 4D-МРТ потока, для задания граничных условий на входе. Затем используйте взвешенное отношение входного и выходного отверстий, чтобы задать граничные условия выхода.

Задайте численные схемы, используемые для сопряжения давлений и дискретизации уравнений Навье-Стокса. Затем в поле Инициализация решения установите все начальные значения равными нулю. В разделе Расчетные действия назначьте папку решения для сохранения результатов и укажите частоту с помощью параметра Автосохранение, Каждые временные шаги. В разделе Выполнить расчет настройте размер временного шага на основе данных граничных условий Excel. Часто предпочтительнее выбрать меньший временной шаг и разрешить интерполяцию Fluent. Повторяйте в течение как минимум трех сердечных циклов.

Наконец, установите максимальное количество итераций в диапазоне от 300 до 500. Программное обеспечение будет автоматически останавливать итерации на каждом временном шаге, как только произойдет сходимость. После того, как симуляция будет полностью настроена, вернитесь к Инициализации, Инициализации. Вернитесь в раздел Run Calculation (Запустить расчет) и выберите Calculate (Рассчитать), чтобы запустить решатель. Данные решения теперь можно визуализировать в программном обеспечении ANSYS CFD-Post или ParaView.

Теперь рассмотрим некоторые репрезентативные данные. Вот пример аневризмы сосудов головного мозга. По данным 4D МРТ потока были обнаружены сложные паттерны рециркуляционного кровотока в аневризматической области. Тем не менее, разрешение ограничено в областях застойного потока, наблюдаемых в верхней и нижней части поражения. После проведения CFD-моделирования было получено более высокое разрешение поля скорости, особенно вблизи стенок судна.

CFD также можно использовать для сравнения различных условий течения в одном и том же сосуде. Например, моделирование хирургического клипирования правой и левой передней мозговой артерии помогает визуализировать влияние процедуры на динамику кровотока.

Вычислительное гидродинамическое моделирование кровотока является полезным инструментом, используемым в различных биомедицинских приложениях.

Например, гемодинамические условия в сосудистой сети влияют на развитие и прогрессирование артериальных заболеваний, в том числе атеросклероза и аневризм. Поскольку прямые измерения трудно получить in vivo, CFD является стандартным исследовательским инструментом, который используется для моделирования динамики кровотока. Он может предоставить врачам рекомендации по диагностике, а также по различным сценариям лечения.

Помимо моделирования сосудов, CFD-моделирование служит для моделирования воздушного потока на основе моделей носовых дыхательных путей. Особенно полезно разработать протоколы для адекватной и контролируемой доставки фармацевтических аэрозолей в целевые обонятельные области, которые взаимодействуют непосредственно с мозгом.

Вы только что посмотрели введение JoVE в вычислительную гидродинамику для моделирования кровотока. Теперь вы должны понять, как можно моделировать динамику кровотока с высоким разрешением на основе трехмерной геометрии сосудов. Спасибо за просмотр!