Serebral Anevrizmada Kan Akışının Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Simülasyonları

Hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonları, teşhis ve tedaviye rehberlik etmek için hasta damar sistemindeki kan akışını analiz etmek için kullanılır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği veya CFD, sıvı akışını modellemek ve yüksek hızlı bir uçağın etrafındaki sıvı akışı, karmaşık boru ağları ve kardiyovasküler sistemimiz gibi birçok farklı akış senaryosu için gerçekçi koşulları simüle etmek için sayısal analiz yöntemlerini kullanır.

Tıbbi uygulamada, kan damarı geometrilerini elde etmek için çeşitli görüntüleme teknikleri kullanılır. Daha sonra, koroner kalp hastalığı, arteriyovenöz malformasyonlar ve anevrizmalar dahil olmak üzere vaskülatür disfonksiyonları için hastalık ilerlemesini tahmin etmek ve tedavi senaryolarını modellemek için kullanılan CFD simülasyonları gerçekleştirilir.

Bu video, CFD'nin ilkelerini gösterecek, kan damarlarının geometrilerinin yüksek çözünürlüklü hemodinamiği modellemek için nasıl kullanıldığını gösterecek ve CFD'nin bazı uygulamalarını tartışacaktır.

İlk olarak, kardiyovasküler dinamikleri ve CFD'nin ilkelerini anlayalım.

Kardiyovasküler hemodinamik, sol ve sağ ventriküller ve kulakçıklar dahil olmak üzere kalpteki kan akışının dinamiklerini ve kalpten vücudun geri kalanına damarlardaki kan akışını tanımlar. Karmaşık vasküler ağlar manyetik rezonans anjiyografi ve velosimetri veya X-ışını floroskopi kullanılarak görüntülenebilir. Bu yöntemler, hastanın kan damarlarının geometrisini ana hatlarıyla belirtir ve akış sınırı koşullarını tanımlar.

Bu elde edildikten sonra, kan hızı verileri, bir 3B alanı tanımlayan grafiksel bilgi birimleri olan voksellere bölünür ve her vokselde faz kayması elde edilir. Bunlar jiroskopik orana, ana manyetik alana, uygulanan gradyan alanına ve dönüşün konumuna bağlıdır. Bu da dönüşün başlangıç konumuna, dönüş hızına ve dönüş ivmesine bağlıdır. Tau, dördüncü boyutu tanımlayan zamandır.

Bu parametreler MRI tarafından tanımlanır ve CFD simülasyonlarına girilir. 3D akış hızı, Navier-Stokes veya NS denklemlerinin sayısal olarak çözülmesiyle belirlenir. NS denklemleri, hız ve basınç dağılımlarını belirlemek için çözülen akışkan hareketinin yönetim denklemleridir. Akışın yoğunluğunu, hızını, basıncını ve dinamik viskozitesini hesaba katarlar.

Şimdi, akışkanlar dinamiğinin bu ilkelerinin, yüksek çözünürlüklü CFD simülasyonları üretmek için gerçek kan damarı geometrilerine nasıl uygulandığını göreceğiz.

Başlamadan önce, MRA verilerinden hastaya özel bir damar sistemi modeli oluşturun. Bu, görüntü segmentasyonu için açık kaynaklı yazılım kullanılarak yapılabilir.

Bu gösteri için, bir tetrahedral hacim ağı oluşturuldu. Şimdi vmtk launcher Python GUI'yi açın. PypePad'de gerekli dosya adını girin. Bu çıplak kemik komutu, giriş STL dosyasını masaüstünden çekecektir. Verileri programa yüklemek için Çalıştır, Tümünü çalıştır'ı seçin. Yönergeleri ve giriş modelinin oluşturulmasını görüntüleyen yeni bir pencere açılacaktır.

Modeli döndürün ve imleci her bir giriş konumuna getirin. Bir girişe tohum yerleştirmek için boşluk çubuğuna basın. Bunu tüm girişler için tekrarlayın. Ardından devam etmek için Q tuşuna basın. Şimdi tüm çıkışlar için aynı tohum yerleşimini tekrarlayın. Tekrar Q tuşuna basın ve programın çalışmasına izin verin. Merkez çizgisi dosyası oluşturulur ve masaüstüne kaydedilir.

Artık akış verilerini içeren vokselleri sabit dokudan ayırmak için açık kaynaklı görselleştirme aracı ParaView'ı kullanmaya hazırız. Şu dosyaları bulun: hastaya özel birim ağı, Centerline dosyaları ve EnSight.case dosyaları ve verileri arabirime yüklemek için Tamam'a tıklayın. Özellikler tablosuna gidin ve tüm bilgileri yüklemek ve okumak için Uygula'yı seçin. Ardından, boru hattı tarayıcısında hacimsel ağı vurgulayın.

Özellikler tablosunda, opaklık değerini 0,2 ile 0,5 arasında bir değere değiştirin. Merkez çizgileri ve geometrik işleme artık görünür olmalıdır. Ardından, üst menüye gidin ve Filtreler, Alfabetik, Veri Kümesiyle Yeniden Örnekle'yi seçin ve kaynağı birim ağı ve girişi EnSight.case dosyası olarak ayarlayın. Devam etmek için Tamam'ı tıklatın ve Özellikler tablosunda filtreyi uygulayın. Ardından, yeni Veri Kümesiyle Yeniden Örnekle'yi vurgulayın ve opaklığı azaltın.

Üst menüden, merkez çizgilerini Yüzey'den Noktalar'a değiştirin. Sınır koşullarını belirlemek için arayüzün sağ tarafına gidin ve Yatay Görünüm Oluşturma aracını seçin. Elektronik Tablo Görünümü seçeneğini belirleyin. Gösteriliyor açılır kutusundan, Merkez Çizgisi dosyasını seçin ve her giriş ve çıkışta bir konum belirlemek için çeşitli noktaları seçerek dosyalar arasında geçiş yapın. Şimdi iki nokta arasındaki normal vektörü hesaplamak için Elektronik Tablo Görünümünü kullanın.

Vektörü bulduktan sonra ResampleWithDataset'i etkinleştirin ve Filtreler, Alfabetik, Dilim'i seçin. Dilim filtresinin göründüğünden emin olun, ardından Özellikler tablosuna gidin ve normal vektörü hesaplamak için kullanılan iki noktadan biri için düzlem başlangıç noktasını aynı X, Y, Z noktası konumu olarak ayarlayın. Normal değerleri doldurmak için bunu kullanın ve ardından Uygula'yı seçin. Yeni oluşturulan Dilim filtresini etkinleştirin ve Filtreler, Alfabetik, Yüzey Akışı'nı seçin. Uygula'ya tıklayın, ardından yeni Yüzey Akışı öğesini etkinleştirin ve ardından Filtreler, Alfabetik, Grup Süresi Adımları, Uygula'yı izleyin.

Elektronik Tablo Görünümü'nde, GroupTimeSteps verilerini açın ve bu verileri Microsoft Excel'e aktarmak için Elektronik Tabloyu Dışa Aktar'ı veya kopyalayıp yapıştır özelliğini kullanın. ParaView içinde, Zaman içinde döngü yaparak Zaman Adımlarını ve Zaman Adımı boyutunu belirleyin. Simülasyon için, kardiyak döngünün sıfıra eşit bir zamanda başlamasını istiyoruz. Bu nedenle, yeterli zaman ölçeğini oluşturun. Ardından Dilim filtresini etkinleştirin ve Filtreler, Alfabetik, Değişkenleri Entegre Et'i seçin.

Açılır pencereden, Hücre Verilerini görüntülemek için Nitelik'i değiştirin. Bu size giriş diliminin enine kesit alanını sağlar. Akış verilerini ANSYS Fluent ile uyumlu hale getirmek için, zaman ölçeğini saniye birimleriyle ve giriş hızını saniye başına metre birimleriyle belirleyin.

İlk satırda bir veri adı, sütun sayısı, satır sayısı ve yinelenebilirlik için ikili bir tetikleyici bulunmalıdır. Sonraki satır, veri sütunlarının her birinin adlarını içerir. Akış hızları, oranlar değil, ilgili sütun başlığının altında ayarlanır. Birden fazla kardiyak döngüyü sorunsuz bir şekilde simüle etmek için, başlangıç ve son hız değerleri eşdeğer olmalıdır.

Dosya, Okuma, Büyük/Küçük Harf'i seçin ve daha önce kullanılan birim ağı .cas dosyasını açın. Ağı içe aktarıldıktan sonra göstermek için Okumadan Sonra Ağı Görüntüle kutusunu işaretleyin. Ölçek'i seçin ve modelin doğru fiziksel boyutunu sağlamak için gerekli birim dönüştürmeyi uygulayın. Malzeme Oluştur/Düzenle'yi seçin ve kan için malzeme özelliklerini girin.

Şimdi, Konsol komut penceresini seçin ve file/ girin. Birim ağı .cas dosyasıyla aynı konumda bulunan geçici akış dalga biçimlerini içe aktarmak için read-transient-table'ı kullanın. Giriş sınır koşullarını ayarlamak için 4D akış MRI ölçümlerinden elde edilen dalga formlarını kullanın. Ardından, çıkış sınır koşullarını ayarlamak için ağırlıklı bir giriş-çıkış oranı kullanın.

Navier-Stokes denklemlerinin basınç, hız eşleşmesi ve ayrıklaştırılması için kullanılan sayısal şemaları ayarlayın. Ardından, Çözüm Başlatma içinde, tüm Başlangıç Değerlerini sıfıra ayarlayın. Hesaplama Aktiviteleri'nin altında, sonuçları kaydetmek için bir çözüm klasörü belirleyin ve Otomatik Kaydet, Her Seferinde Adım ile sıklığı belirtin. Hesaplamayı Çalıştır'ın altında, Excel sınır koşulları verilerinden Zaman Adımı Boyutu'nu ayarlayın. Genellikle daha küçük bir Zaman Adımı seçmek ve Fluent'in enterpolasyon yapmasına izin vermek tercih edilir. En az üç kardiyak döngü için tekrarlayın.

Son olarak, Maksimum Yinelemeleri 300 ile 500 arasında ayarlayın. Yazılım, yakınsama gerçekleştiğinde her Zaman Adımında yinelemeleri otomatik olarak durduracaktır. Simülasyon tamamen ayarlandıktan sonra Başlatma, Başlat'a geri dönün. Hesaplamayı Çalıştır'a dönün ve çözücüyü çalıştırmak için Hesapla'yı seçin. Çözüm verileri artık ANSYS CFD-Post veya ParaView yazılımında görselleştirilebilir.

Şimdi bazı temsili verileri inceleyeceğiz. İşte bir serebral anevrizma örneği. 4D akış MRG verilerinden, anevrizmal bölge içinde karmaşık devridaim akış paternleri tespit edildi. Bununla birlikte, lezyonun üst ve alt kısmında gözlenen durgun akış bölgelerinde çözünürlük sınırlıdır. CFD simülasyonları çalıştırıldıktan sonra, özellikle gemi duvarlarının yakınında hız alanının daha yüksek çözünürlüğü elde edildi.

CFD, aynı kaptaki farklı akış koşullarını karşılaştırmak için de kullanılabilir. Örneğin, sağ ve sol anterior serebral arterin cerrahi olarak kırpılmasının simülasyonları, prosedürün akış dinamikleri üzerindeki etkilerini görselleştirmeye yardımcı olur.

Kan akışının hesaplamalı akışkan dinamiği simülasyonları, çeşitli biyomedikal uygulamalarda kullanılan yararlı araçlardır.

Örneğin, damar sistemi içindeki hemodinamik durumlar, ateroskleroz ve anevrizmalar dahil olmak üzere arteriyel hastalıkların gelişimini ve ilerlemesini etkiler. Doğrudan ölçümlerin in vivo olarak elde edilmesi zor olduğundan, CFD, kan akış dinamiklerini modellemek için kullanılan standart bir araştırma aracıdır. Doktorlara teşhis ve farklı tedavi senaryoları için rehberlik sağlayabilir.

Vasküler modellemenin yanı sıra, CFD simülasyonları, nazal hava yolu modellerine dayalı olarak hava akışını simüle etmeye hizmet eder. Farmasötik aerosolleri beyinle doğrudan etkileşime giren hedeflenen koku alma bölgelerine yeterli ve kontrollü bir şekilde iletmek için protokoller tasarlamak özellikle yararlıdır.

JoVE'nin kan akışını simüle etmek için hesaplamalı akışkanlar dinamiğine girişini izlediniz. Artık yüksek çözünürlüklü kan akışı dinamiklerinin üç boyutlu damar geometrilerine dayalı olarak nasıl modellenebileceğini anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler!