Моделирование кровотока при аневризме головного мозга с помощью вычислительной гидродинамики

Предвестником этого урока является создание модели сосудистой системы, специфичной для пациента. В этой демонстрации инструменты Materialise Mimics, 3D Systems Geomagic Design X и Altair HyperMesh были использованы для создания тетраэдральной объемной сетки на основе данных MRA.

1. Генерируем центральные линии судна для модели

1. Откройте графический интерфейс vmtk-launcher для Python. В PypePad введите: vmtkcenterlines -ifile [STL-файл, сохраненный на рабочем столе].stl -ofile [STL-имя]centerlines.vtp
2. Выберите Выполнить, Запустить все, чтобы загрузить данные в программу. Откроется новое окно, в котором отображаются инструкции и рендеринг входной модели. Поверните модель и поместите курсор на каждое место впуска. Нажмите клавишу пробела, чтобы поместить зародыш.
3. После размещения семян на всех входных отверстиях нажмите «Q», чтобы продолжить. Повторите одно и то же размещение семян для всех розеток. После размещения исходных семян снова нажмите «Q» и дайте программе запуститься. Это сохранит файл центральной линии на рабочем столе.

2. Настройка данных в программном обеспечении для визуализации

1. Запустите средство визуализации с открытым исходным кодом ParaView (версия 5.4.1, используемая в этой процедуре).
2. Выберите «Файл», «Открыть...» и найдите ранее созданные файлы: объемную сетку для конкретного пациента, файлы центральной линии и файлы EnSight.case. После нажатия кнопки «Ок» все данные должны быть загружены в интерфейс.
3. В таблице свойств в левом нижнем углу выберите Применить. Эта команда загрузит и прочитает всю информацию, загруженную или измененную пользователем в ParaView. Выделите объемную сетку, щелкнув по ее названию в браузере трубопроводов, чтобы активировать этот выбор.
4. Опять же, в таблице свойств прокрутите и измените значение Непрозрачности где-то в диапазоне от 0,2 до 0,5. Теперь центральные линии и рендеринг геометрии должны быть видны.

3. Пересопоставьте данные 4D Flow MRI с помощью объемной сетки и удалите шум

1. В верхнем меню выберите Фильтры, Алфавитные, ResampleWithDataset. Откроется новое окно. Установите Source в качестве объемной сетки, а Input — в качестве файла EnSight.case. Нажмите «ОК», когда они будут установлены.
2. В таблице Свойства выберите Применить, чтобы применить фильтр.
3. Как и раньше, выделите новое имя ResampleWithDataset#, чтобы активировать его. Уменьшите непрозрачность этого нового рендеринга, как упоминалось ранее. Кроме того, измените осевые линии с «Поверхность» на «Точки» в верхнем меню.

4. Определение граничных условий входного и выходного потока

1. В правой части интерфейса, рядом с параметрами разворачивания и сворачивания отрисовки, выберите инструмент «Создать вид» (квадрат с вертикальной линией). Выберите опцию «Представление таблиц».
2. В раскрывающемся списке Отображение выберите файлы центральной линии. Одновременно можно выбрать только один тип файла. Циклически просматривайте данные, выбирая различные точки, чтобы определить местоположение в каждом входе и выходе.
3. Теперь используйте представление SpreadSheet под Points, чтобы вычислить вектор нормали между двумя точками рядом с теми же точками, найденными в (4.2).
4. Найдя вектор нормали для каждого местоположения входа и выхода, выберите Фильтры, Алфавитный, Срез. Убедитесь, что вы заранее активировали ResampleWithDataset#.
5. Фильтр Slice должен отображаться под новой ветвью, поступающей из ResampleWithDataset#. В таблице Свойства задайте начало координат плоскости в качестве того же местоположения точки XYZ для одной из двух точек, используемых для вычисления вектора нормали. Используйте вектор нормали из (4.3) для заполнения значений Normal. Выберите Применить.
6. Выделите/активируйте только что созданный фильтр Slice# и выберите Фильтры, Алфавитный, Поверхностный поток, а затем Применить. Активируйте новый элемент SurfaceFlow# в браузере конвейера и примените фильтры, Алфавитные, Группировать временные шаги, Применить.
7. В представлении SpreadSheet откройте данные GroupTimeSteps#. Экспортируйте эти данные в Microsoft Excel с помощью копирования и вставки или используйте Export Spreadsheet.
8. В Excel рассчитайте взвешенные значения, соответствующие отношению расхода на каждом выходе к общему расходу на входе. Из-за присущего шуму и погрешности данных 4D Flow MRI определите самый маленький (как правило, с менее надежными данными) сосуд, который следует оставить «открытым», чтобы обеспечить сохранение массы.
9. В программном обеспечении для моделирования CFD формы сигналов переходных процессов импортируются с помощью команды read-transient-tables, поэтому данные о входящем потоке сохраняются в совместимом формате .txt, описанном в онлайн-учебниках.

5. Настройка CFD-моделирования

1. Откройте программное обеспечение для моделирования CFD. Здесь мы используем ANSYS Fluent (версия 18.1 описана в этой процедуре как стандартная). Выберите «Файл», «Чтение» и «Регистр...» и откройте файл .cas сетки томов, использованный ранее в ParaView. Отобразите сетку (в этой процедуре используется файл .cas, сгенерированный с помощью Altair HyperMesh), выбрав Display..., Display.
2. Важно масштабировать геометрию, чтобы обеспечить правильный физический размер модели. Выберите «Масштаб...» и примените любое преобразование единиц измерения, необходимое для конкретного случая, а затем «Закрыть».
3. Выберите Материалы, Создать/Редактировать, чтобы ввести свойства материала для крови. В этом учебном пособии используются физиологически значимые значения плотности и вязкости 1060 кг/с и 0,0035 кг/мс соответственно.
4. Задайте граничные условия для переходного потока, указав либо массовый расход, либо скоростной расход в зависимости от времени для каждого входа. Используйте осциллограммы, полученные в результате измерений 4D Flow MRI, для задания граничных условий на входе. Розеткам присваиваются взвешенные значения, найденные в (4.8).
5. В разделе Решение, Методы задайте численные схемы, используемые для пространственной и временной дискретизации уравнений Навье-Стокса. Для этой процедуры используется функция Coupled, которая включает полную связь между давлением и скоростью, Least Squares Cell Based (градиент), Схема второго порядка для давления, Схема MUSCL третьего порядка для уравнений импульса и Неявная схема второго порядка для дискретизации во времени. Убедитесь, что для параметра Время в левом верхнем углу установлено значение Переходный режим.
6. В разделе Решение, Инициализация выберите Стандартная инициализация. Установив для всех начальных значений значение 0, выберите Инициализировать. Теперь программа настроена на запуск. Назначьте папку решения для сохранения результатов каждого автосохранения каждый раз (временные шаги) в разделе «Действия расчета».
7. На последних шагах настройте размеры временных шагов в разделе Расчет прогона. Для определения этого значения используйте данные граничного условия Excel в (4.7). Сокращение временного шага способствует сходимости и повышает точность численного решения, увеличивая при этом время решения. Хорошей практикой является проведение моделирования в течение как минимум трех полных сердечных циклов, чтобы устранить эффект начальных переходных процессов.
8. Наконец, установите максимальное количество итераций для каждого временного шага в диапазоне от 300 до 500. Программное обеспечение автоматически останавливает итерации на каждом временном шаге после достижения сходимости и переходит к следующему временному шагу. Сходимость может быть улучшена путем запуска моделирования стационарного потока с усредненными значениями скорости и последующего использования результатов в качестве начальных условий для моделирования пульсирующего потока. Выберите Рассчитать, когда будете готовы запустить решатель.
9. Программное обеспечение будет выполнять каждую итерацию до тех пор, пока не будет достигнута сходимость или пока максимальное количество итераций не приведет к продолжению итерации. Файлы будут автоматически сохранены в местоположении из (5.5), а данные решения могут быть визуализированы в программном обеспечении ANSYS CFD-Post или ParaView.