Overview
מקור: ג'וזף ס. מוסקט, ויטלי ל. רז וקרייג ג'יי גורגן, בית הספר להנדסה ביו-רפואית של ולדון, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, אינדיאנה
מטרת הסרטון היא לתאר את ההתקדמות האחרונה של סימולציות דינמיות של נוזלים חישוביים (CFD) המבוססות על כלי כלי ים ספציפי למטופל או לבעלי חיים. כאן נוצרו פילוחי כלי שיט מבוססי נושא, ובאמצעות שילוב של קוד פתוח וכלים מסחריים, נקבע פתרון מספרי ברזולוציה גבוהה בתוך מודל זרימה. מחקרים רבים הראו כי התנאים המודינמיים בתוך vasculature להשפיע על התפתחות והתקדמות של טרשת עורקים, מפרצות, ומחלות עורקים היקפיים אחרים; במקביל, מדידות ישירות של לחץ תוך-אלומינלי, מתח הטיה בקיר (WSS) וזמן מגורים חלקיקים (PRT) קשה לרכוש ב vivo.
CFD מאפשר להעריך משתנים כאלה באופן לא פולשני. בנוסף, CFD משמש כדי לדמות טכניקות כירורגיות, אשר מספק לרופאים ראיית הנולד טובה יותר לגבי תנאי זרימה לאחר הניתוח. שתי שיטות בהדמיית תהודה מגנטית (MRI), אנגיוגרפיה של תהודה מגנטית (MRA) עם זמן טיסה (TOF-MRA) או MRA משופר בניגודיות (CE-MRA) וניגודיות פאזה (PC-MRI), מאפשרות לנו להשיג גיאומטריות כלי שיט ושדות מהירות תלת-ממדית שנפתרו בזמן, בהתאמה. TOF-MRA מבוסס על דיכוי האות מרקמה סטטית על ידי פולסים RF חוזרים המוחלים על נפח התמונה. אות מתקבל מספינים בלתי רוויים הנעים לתוך הנפח עם הדם הזורם. CE-MRA היא טכניקה טובה יותר עבור כלי הדמיה עם זרימות recirculating מורכב, כפי שהוא משתמש סוכן ניגודיות, כגון גדליניום, כדי להגדיל את האות.
בנפרד, PC-MRI משתמש במעברי צבע דו-קוטביים כדי ליצור משמרות פאזה שהן פרופורציונליות למהירות הנוזל, ובכך מספק התפלגות מהירות שנפתרה בזמן. בעוד PC-MRI מסוגל לספק מהירויות זרימת הדם, הדיוק של שיטה זו מושפע רזולוציה spatiotemporal מוגבלת טווח דינמי מהירות. CFD מספק רזולוציה מעולה והוא יכול להעריך את טווח המהירויות ממטוסים במהירות גבוהה כדי מערבולות חוזרות איטיות שנצפו בכלי דם חולים. לכן, למרות האמינות של CFD תלוי בהנחות המידול, זה פותח את האפשרות לתיאור איכותי ומקיף של שדות זרימה ספציפיים למטופל, אשר יכול להנחות אבחון וטיפול.
Principles
TOF-MRA, CE-MRA ו- PC-MRI משמשים לעתים קרובות כגאומטריית קלט ותנאי גבול זרימה עבור סימולציות CFD. כפי שנדון לעיל, גיאומטריית כלי השיט ותנאי גבול הזרימה (פרופילי מהירות באמצעות חתך רוחב) נמדדים עבור כל נושא. עבור הנתונים הכלולים במחקר זה, רזולוציית TOF-MRA הייתה 0.26 x 0.26 x 0.50 מ"מ, בעוד רזולוציית PC-MRI הייתה 1.00 x 1.00 x 1.20 מ"מ. רצף MRI 4D Flow שימש לרכישת התפלגות המהירות התלת מימדית דרך מחזור הלב. נתוני TOF מחולקים באופן מדומה באופן אוטומטי עם מגוון כלים. רזולוציית התמונה, כלומר גודלו של ווקסל, משפיעה ישירות על איכות המודל המתקבל של הגיאומטריה. MRI זרימה 4D קובע את מהירות 
הדם בכל voxel באמצעות שינוי פאזה 
בהתאם למשוואות הבאות:
(1)
(2)
הסטות פאזה נמדדות ומהירויות תלויות בשדה מעבר הצבע 
, היחס הג'ירומגנטי 
, המיקום ההתחלתי של הסיבוב 
, מהירות הסיבוב 
ותאוצת הסיבוב 
. השדות המגנטיים וקבועי החומר מוגדרים בעת אתחול סריקת ה-MRI. MRI זרימה 4D מקודד בשלושה כיוונים אורתוגונליים כדי להשיג שדות מהירות תלת-ממדיים. לאחר מכן, ניתן ליצור מודלים תלת-ממדיים עבור כל מקרה ספציפי לחולה או לבעלי חיים. השיטות המפורטות בסעיף הפרוצדורה יביאו אותנו לסימולציית CFD על ידי פתרון מספרי של משוואות נאבייר-סטוקס, אשר כלליות כ:
(3)
כאשר 
הצפיפות 
היא מהירות הזרימה, p הוא לחץ, ו- mu הוא הצמיגות הדינמית של הזרימה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
הקדמה להדרכה היא יצירת מודל vasculature ספציפי למטופל. בהדגמה זו, הכלים להתממש מחקות, 3D מערכות עיצוב גיאמגי X, ו Altair HyperMesh שימשו ליצירת רשת נפח tetrahedral מנתוני MRA.
1. צור קווי מרכז כלי דם עבור המודל
- פתח את ה- Vmtk-launcher python GUI. ב- PypePad, הקלד: vmtkcenterlines -ifile [קובץ STL נשמר בשולחן העבודה].stl -ofile [שם STL]centerlines.vtp
- בחר הפעל, הפעל הכל כדי לטעון את הנתונים לתוכנית. ייפתח חלון חדש המציג הוראות ועיבוד של מודל הקלט. סובב את הדגם והצב את המקלל בכל מיקום מפרצון. לחץ על מקש הרווח כדי למקם זרע.
- לאחר הנחת זרעים על כל המפרצונים, לחץ על 'Q' כדי להמשיך. חזור על אותו מיקום של זרעים עבור כל השקעים. לאחר הצבת זרעי השקע, לחץ שוב על 'Q' ותן לתוכנית לפעול. פעולה זו תשמור את קובץ קו האמצע בשולחן העבודה.
2. הגדרת נתונים בתוכנת תצוגה חזותית
- הפעל את כלי הפריט החזותי בקוד פתוח, ParaView (גירסה 5.4.1 המשמשת בהליך זה).
- בחר קובץ, פתח...ואתר את הקבצים שנוצרו בעבר: רשת המיזוג של אמצעי האחסון הספציפי למטופל, קבצים בקו האמצע וקבצי EnSight.case( ים). לאחר לחיצה על אישור, יש לטעון את כל הנתונים לממשק.
- מהטבלה מאפיינים בפינה הימנית התחתונה, בחר החל. פקודה זו תטען ותקרא את כל המידע שהמשתמש טען או שינה ב- ParaView. סמן את רשת אמצעי האחסון על-ידי לחיצה על שמה בדפדפן Pipeline כדי להפעיל בחירה זו.
- שוב, בטבלה מאפיינים, גלול ושנה את ערך האטימות למקום כלשהו בין 0.2 - 0.5. עכשיו, קווי האמצע ועיבודי הגיאומטריה צריכים להיות גלויים.
3. למשט מחדש נתוני MRI של זרימה 4D עם רשת הנפח ולמחוק רעש
- מהתפריט העליון, בחר מסננים, אלפביתית, דגימה מחדשWithDataset. חלון חדש ייפתח. הגדר את המקור כרשת אמצעי האחסון ואת הקלט כקובץ EnSight.case. בחר אישור לאחר הגדרת אלה.
- בטבלה מאפיינים, בחר החל כדי להחיל את המסנן.
- כבעבר, סמן את השם החדש מדגם מחדשWithDataset# כדי להפעיל אותו. הפחת את האטימות של עיבוד חדש זה כאמור. בנוסף, שנה את קווי האמצע מ-Surface לנקודות בתפריט העליון.
4. קביעת תנאי גבול זרימת המפרצון והשקע
- בצד שמאל של הממשק, לצד הגדלה ומזער של אפשרויות עיבוד, בחר בכלי יצירת תצוגה (ריבוע עם קו אנכי). בחר באפשרות תצוגת גליון כפולות.
- מהתיבה הנפתחת הצג, בחר את הקבצים בקו האמצע. ניתן לבחור רק סוג קובץ אחד בכל פעם. מעבר בין הנתונים, בחירת נקודות שונות כדי לזהות מיקום בתוך כל כניסה ושקע.
- כעת, השתמש בתצוגת גליון כפולות מתחת לנקודות כדי לחשב את הווקטור הנורמלי בין שתי נקודות ליד אותם מיקומים שנמצאו ב- (4.2).
- לאחר מציאת הווקטור הנורמלי עבור כל מיקום הכניסה והשקע, בחר מסננים, אלפביתי, פרוסה. הקפד להפעיל את הדגימה מחדשWithDataset# מראש.
- המסנן פרוסה צריך להופיע מתחת לענף חדש שמגיע מ- ResampleWithDataset#. בטבלה מאפיינים, הגדר את המקור של המישור כמיקום נקודת XYZ זהה עבור אחת משתי הנקודות המשמשות לחישוב הווקטור הרגיל. השתמש בווקטור הרגיל מ- (4.3) כדי למלא את הערכים Normal. בחר החל.
- הדגש/הפעל את המסנן Slice# שנוצר זה עתה ובחר מסננים, אלפביתית, זרימת פני השטחולאחר מכן החל. הפעל את הפריט החדש SurfaceFlow# בדפדפן הצינורוהחל את המסננים, אלפבית, שלבי זמן הקבוצה, החל.
- בתצוגת גליון כפולות, פתח את נתוני GroupTimeSteps# . יצא נתונים אלה ל- Microsoft Excel באמצעות העתקה והדבקה או שימוש בייצוא גיליון אלקטרוני.
- ב- Excel, חשב את הערכים המשוקללים המתאימים ליחס בין קצב הזרימה בכל שקע לקצב זרימת המקלט הכולל. בשל רעש ושגיאה טבועים של נתוני MRI 4D Flow, לזהות את הספינה הקטנה ביותר (בדרך כלל יש נתונים פחות אמינים) להשאיר "פתוח" כדי להבטיח את שימור המסה.
- בתוכנת סימולציה של CFD, צורות גל של זרימה ארעית מיובאות באמצעות הפקודה 'טבלאות קריאה חולפות'; לכן, שמור את נתוני זרימת המפרצון בתבנית תואמת .txt המתוארת בערכות הלימוד המקוונות.
5. הגדרת סימולציות CFD
- פתח תוכנת סימולציה של CFD. כאן אנו משתמשים ANSYS Fluent (גירסה 18.1 המתוארת בהליך זה כברירת מחדל). בחר קובץ, קריאה ורישיות...ופתח את קובץ ה- .cas של רשת אמצעי האחסון ששימש בעבר ב- ParaView. הצג את רשת הרשת (הליך זה משתמש בקובץ .cas שנוצר עם Altair HyperMesh) על-ידי בחירה באפשרות הצג..., הצג.
- חשוב לשנות את קנה המידה של הגיאומטריה כדי להבטיח את הגודל הפיזי הנכון של המודל. בחר קנה מידה... והחל את המרת היחידה הדרושה עבור האירוע הספציפי ולאחר מכן סגור.
- בחר חומרים, צור/ערוך כדי להזין את המאפיינים החומריים לדם. מדריך זה משתמש בערכים רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית של 1060 ק"ג/s ו- 0.0035 ק"ג/ms לצפיפות וצמיגות, בהתאמה.
- הגדר את תנאי גבול הזרימה החולפת על-ידי קביעת קצבי זרימת מסה או זרימת מהירות כפונקציה של זמן עבור כל פריצה. השתמש בצורה של צורות גל המתקבלות ממדידה MRI של זרימה 4D כדי לקבוע את תנאי גבול המפרצון. שקעים מקבלים ערכים משוקללים הנמצאים ב( 4.8).
- תחת פתרון, שיטות, הגדר את הערכות המספריות המשמשות לדיסקרטיזציה מרחבית וטמפורלית של משוואות Navier-Stokes. עבור הליך זה, השתמש ב- זוג, המאפשר צימוד מלא של מהירות לחץ, מבוסס תא ריבועים לפחות (הדרגתי), ערכת הזמנה שנייה ללחץ, ערכת MUSCL מסדר שלישי למשוואות מומנטום וסכימה משתמעת מסדר שני לדיפרנציה בזמן. ודא שפרמטר Time בצד הימני העליון הוגדר כ ארעי.
- תחת פתרון, אתחול, בחר אתחול סטנדרטי. כאשר כל הערכים ההתחלתיים מוגדרים כ- 0, בחר אתחל. כעת התוכנית מוגדרת לפעול. ייעד תיקיית פתרונות לשמירת תוצאות כל שמירה אוטומטית כל (שלבי זמן) מתחת לפעילויות חישוב.
- בשלבים האחרונים, הגדר את גודל שלב הזמן(ים) תחת הפעל חישוב. השתמש בנתוני תנאי הגבול של Excel ב- (4.7) כדי לקבוע ערך זה. הפחתת שלב הזמן מקלה על התכנסות ומשפרת את הדיוק של הפתרון המספרי, תוך הגדלת זמן הפתרון. זהו תרגול טוב להפעיל את הסימולציה לפחות שלושה מחזורי לב מלאים כדי לחסל את ההשפעה של ארעיים ראשוניים.
- לבסוף, הגדר את מספר איטרציות מרבי לכל שלב בין 300 ל - 500. התוכנה תפסיק באופן אוטומטי את האיטרציות בכל שלב זמן לאחר ההגעה להתכנסות ותמשיך לשלב הזמן הבא. ניתן לשפר את ההתכנסות על ידי הפעלת סימולציית זרימה יציבה עם ערכי מהירות ממוצעים ולאחר מכן שימוש בתוצאות כתנאים ההתחלתיים לסימולציית הזרימה הפועמת. בחר חשב מתי מוכן להפעיל את Solver.
- התוכנה תריץ כל איטרציה עד שתתכנס או שמא תוסיף איטרציות מרביות להמשך האיטרציה. הקבצים יישמרו באופן אוטומטי במיקום מ- (5.5), וניתן לדמיין את נתוני הפתרון בתוכנת ANSYS CFD-Post או ParaView.
סימולציות דינמיות של נוזל חישובי משמשות לניתוח זרימת הדם בכלי הדם של המטופל כדי להנחות אבחון וטיפול. דינמיקת נוזלים חישובית, או CFD, משתמשת בשיטות ניתוח מספריות כדי לדגמן זרימת נוזלים ולדמות תנאים מציאותיים עבור תרחישי זרימה רבים ושונים, כגון זרימת הנוזלים סביב מטוס במהירות גבוהה, באמצעות רשתות צנרת מורכבות ובתוך מערכת הלב וכלי הדם שלנו.
ביישום רפואי, טכניקות הדמיה שונות משמשות להשגת גיאומטריות כלי דם. לאחר מכן מבוצעות סימולציות CFD, המשמשות לחיזוי התקדמות המחלה ותרחישי טיפול מודל לתפקוד לקוי של כלי דם, כולל מחלת לב כלילית, מומים עורקיים ומפרצת.
וידאו זה ימחיש את העקרונות של CFD, להדגים כיצד הגיאומטריות של כלי הדם משמשים מודל המודינמיקה ברזולוציה גבוהה, ולדון כמה יישומים של CFD.
ראשית, בואו נבין את הדינמיקה הקרדיווסקולרית ואת העקרונות של CFD.
המודינמיקה הלב וכלי הדם מתארת את הדינמיקה של זרימת הדם בלב, כולל דרך החדרים השמאליים והימנים והאטריה, וזרימת הדם בכלי הדם מהלב לשאר הגוף. ניתן לדמיין רשתות כלי דם מורכבות באמצעות אנגיוגרפיה תהודה מגנטית ולוקסימטריה או פלואורוסקופיה של קרני רנטגן. שיטות אלה מתארות את הגיאומטריה של כלי הדם של המטופל ומגדירות תנאי גבול זרימה.
ברגע שזה נרכש, נתוני מהירות הדם מחולקים לתוך voxels, שהם יחידות של מידע גרפי הגדרת שטח 3D, ואת שינוי הפאזה מתקבל בכל voxel. אלה תלויים ביחס הג'ירומגנטי, השדה המגנטי הראשי, שדה מעבר הצבע מיושם, ואת המיקום של הסיבוב. זה בתורו תלוי במיקום הראשוני של הסיבוב, מהירות הסיבוב, ותאוצת הסיבוב. טאו הוא הזמן שמגדיר את המימד הרביעי.
פרמטרים אלה מוגדרים על-ידי ה- MRI והקלט בסימולציות CFD. מהירות הזרימה התלת-ממדית נקבעת על-ידי פתרון מספרי של משוואות Navier-Stokes או NS. משוואות ה-NS הן המשוואות השולטות של תנועת נוזלים שנפתרה כדי לקבוע את התפלגות המהירות והלחץ. הם לוקחים בחשבון את הצפיפות, המהירות, הלחץ והצמיגות הדינמית של הזרימה.
כעת נראה כיצד עקרונות אלה של דינמיקת נוזלים מוחלים על גיאומטריות כלי דם אמיתיות כדי לייצר סימולציות CFD ברזולוציה גבוהה.
לפני שתתחיל, צור מודל כלי איים ספציפי למטופל מנתוני MRA. ניתן לעשות זאת באמצעות תוכנת קוד פתוח עבור פילוח תמונות.
עבור הדגמה זו, רשת נפח tetrahedral נוצרה. עכשיו לפתוח את משגר vmtk Python GUI. ב- PypePad, הזן את שם הקובץ הדרוש. פקודת עצמות חשופות זו תמשוך את קובץ ה- STL של הקלט משולחן העבודה. בחר הפעל, הפעל הכל כדי לטעון את הנתונים לתוכנית. ייפתח חלון חדש המציג הוראות ועיבוד של מודל הקלט.
סובב את הדגם והצב את הסמן בכל מיקום נכנס. לחץ על מקש הרווח כדי למקם זרע על מפרצון אחד. חזור על זה עבור כל המפרצונים. לאחר מכן לחץ על Q כדי להמשיך. עכשיו לחזור על אותו מיקום של זרעים עבור כל השקעים. הקש שוב על Q ותן לתוכנית לפעול. קובץ קו האמצע ייווצר וישמר בשולחן העבודה.
כעת אנו מוכנים להשתמש בכלי ההדמיה בקוד פתוח ParaView כדי להפריד את voxels המכיל נתוני זרימה מרקמה נייחת. אתר את הקבצים הבאים: רשת אמצעי האחסון הספציפית למטופל, קבצי קו האמצע וקבצי האירוע EnSight.case ולחץ על אישור כדי לטעון את הנתונים לממשק. נווט לטבלה מאפיינים ובחר החל כדי לטעון ולקרוא את כל המידע. לאחר מכן סמן את רשת הנפח בדפדפן הצינור.
בטבלה מאפיינים, שנה את ערך האטימות ל- 0.2 ל- 0.5. קווי האמצע והבעיבוד הגיאומטרי צריכים להיות גלויים כעת. לאחר מכן, עבור לתפריט העליון ובחר מסננים, אלפבית, דגימה מחדש עם Dataset, והגדר את המקור כרשת אמצעי האחסון ואת הקלט כקובץ EnSight.case. לחץ על אישור כדי להמשיך והחל את המסנן בטבלה מאפיינים. לאחר מכן, סמן את הדגימה מחדש החדשה עם Dataset והפחת את האטימות.
מהתפריט העליון, שנה את קווי האמצע מ-Surface לנקודות. כדי לקבוע את תנאי הגבול, עבור לצד השמאלי של הממשק ובחר בכלי פצל אופקית צור תצוגה. בחר באפשרות תצוגת גליון כפולות. מהתיבה הנפתחת הצג, בחר את קובץ קו האמצע וחזור בין הקבצים, ובחר נקודות שונות כדי לזהות מיקום בתוך כל כניסה ושקע. כעת השתמש בתצוגת גליון כפולות כדי לחשב את הווקטור הנורמלי בין שתי נקודות.
לאחר מציאת הווקטור, הפעל את דגימה מחדשWithDataset ובחר מסננים, אלפביתי, פרוסה. ודאו שמסנן Slice מופיע ולאחר מכן עבור לטבלה מאפיינים והגדר את מקור המישור כמיקום נקודתי X, Y, Z לאחת משתי הנקודות המשמשות לחישוב הווקטור הרגיל. השתמש באפשרות זו כדי למלא את הערכים הרגילים ולאחר מכן בחר החל. הפעל את מסנן פרוסה החדש שנוצר ובחר מסננים, אלפבית, זרימת פני השטח. לחץ על החל ולאחר מכן הפעל את הפריט החדש של זרימת פני השטח, ואחריו מסננים, אלפבית, שלבי זמן קבוצה, החל.
בתצוגת גליון כפולות, פתח את נתוני GroupTimeSteps והשתמש בייצוא גיליון אלקטרוני או בהדבקת העתקה כדי לייצא נתונים אלה ל- Microsoft Excel. בתוך ParaView, קבע את שלבי הזמן ואת גודל שלב הזמן על-ידי רכיבה על אופניים בזמן. עבור הסימולציה, אנחנו רוצים שמחזור הלב יתחיל בזמן שווה לאפס. לכן, ליצור את סרגל הזמן המתאים. לאחר מכן הפעל את המסנן פרוסה ובחר מסננים, אלפביתי, שילוב משתנים.
מהחלון המוקפץ, שנה תכונה כדי להציג נתוני תא. זה מספק לך את האזור החתך של פרוסת המפרצון. כדי להפוך את נתוני הזרימה לתואמים ל- ANSYS Fluent, קבע את סרגל הזמן עם יחידות שניות ואת מהירות המפרצון עם יחידות של מטר לשנייה.
השורה הראשונה חייבת להכיל שם נתונים, מספר עמודות, מספר שורות וגורם מפעיל בינארי לחזרה. השורה הבאה מכילה את השמות עבור כל אחת מעמודות הנתונים. מהירויות הזרימה, לא הקצבים, מוגדרות מתחת לכותרת העמודה המתאימה. על מנת לדמות מחזורי לב מרובים בצורה חלקה, ערכי המהירות הראשונית והאחרונה צריכים להיות שווים.
בחר קובץ, קריאה, אירוע ופתח את קובץ ה- .cas של רשת אמצעי האחסון שהיה בשימוש קודם לכן. סמן את התיבה עבור הצג רשת שינוי לאחר קריאה כדי להציג את רשת שינוי לאחר שיובאה. בחר קנה מידה והחל את המרת היחידה הדרושה כדי להבטיח גודל פיזי נכון של המודל. בחר חומרים יצירה/עריכה והקלט תכונות חומר לדם.
כעת, בחר בחלון הפקודה מסוף ובקובץ הקלט/. השתמש בטבלה שנקראת ארעית כדי לייבא את צורות הגל של הזרימה הארעית הממוקמות באותו מיקום כמו קובץ ה- .cas של רשת אמצעי האחסון. השתמש בצפורמי הגל המתקבלים ממדידות MRI של זרימת 4D כדי להגדיר את תנאי גבול המפרצון. לאחר מכן השתמש ביחס משוקלל של מפרצון לשקע כדי להגדיר את תנאי גבול השקע.
הגדר את הערכות המספריות המשמשות לצימוד מהירות לחץ ודיסקרטיזציה של משוואות Navier-Stokes. לאחר מכן, בתוך אתחול פתרון, הגדר את כל הערכים ההתחלתיים לאפס. תחת פעילויות חישוב, ייעד תיקיית פתרון לשמירת התוצאות וציין את התדירות באמצעות שמירה אוטומטית, כל פעם שלבים. תחת הפעל חישוב, הגדר את גודל שלב הזמן מנתוני תנאי הגבול של Excel. לעתים קרובות עדיף לבחור צעד זמן קטן יותר ולאפשר ל-Fluent להתערב. חזור על הפעולה במשך שלושה מחזורי לב לפחות.
לבסוף, להגדיר את האיטרציות המרביות בין 300 ל -500. התוכנה תפסיק באופן אוטומטי את האיטרציות בכל שלב זמן ברגע שההתכנסות תתרחש. לאחר שההדמיה הוגדרה במלואה, חזור לאתחול, אתחל. חזור להפעלה של חישוב ובחר חשב כדי להפעיל את solver. כעת ניתן להציג את נתוני הפתרון בתוכנת ANSYS CFD-Post או ParaView.
כעת נבחן כמה נתונים מייצגים. הנה דוגמה של מפרצת מוחית. מנתוני MRI של זרימת 4D זוהו דפוסי זרימה מורכבים בתוך אזור המפרצת. עם זאת, הרזולוציה מוגבלת באזורי הזרימה הקיפאון שנצפו בחלק העליון והתחתון של הנגע. לאחר הפעלת סימולציות CFD, רזולוציה גבוהה יותר של שדה המהירות הושגה, במיוחד ליד קירות כלי השיט.
CFD יכול לשמש גם כדי להשוות תנאי זרימה שונים באותו כלי. לדוגמה, סימולציות של גזיר כירורגי של העורק המוחי הימני והשמאלי מסייעות לדמיין את ההשפעות של ההליך על דינמיקת הזרימה.
סימולציות דינמיות של נוזל חישובי של זרימת הדם הן כלים שימושיים המשמשים ביישומים ביו-רפואיים שונים.
לדוגמה, תנאים המודינמיים בתוך vasculature להשפיע על התפתחות והתקדמות של מחלות עורקים, כולל טרשת עורקים ומפרצת. מאז מדידות ישירות קשה לרכוש ב vivo, CFD הוא כלי מחקר סטנדרטי המשמש מודל דינמיקה זרימת הדם. זה יכול לספק הדרכה לרופאים עבור אבחון, כמו גם תרחישי טיפול שונים.
בנוסף למודל כלי הדם, סימולציות CFD משמשות כדי לדמות זרימת אוויר המבוססת על מודלים של דרכי הנשימה באף. זה שימושי במיוחד כדי לעצב פרוטוקולים כדי לספק, באופן נאות ומבוקר, אירוסולים פרמצבטיים לאזורי ריח ממוקדים אינטראקציה ישירות עם המוח.
הרגע צפית בהקדמה של JoVE לדינמיקת נוזלים חישובית כדי לדמות את זרימת הדם. עכשיו אתה צריך להבין איך דינמיקה זרימת דם ברזולוציה גבוהה ניתן לעצב מבוסס על גיאומטריות כלי תלת מימדי. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
בהדגמה זו נוצר מודל ספציפי לנושא של מפרצת מוחית ו-CFD שימש כדי לדמות את שדה הזרימה. על-ידי מתן תכונות זרימה מפורטות וכימות כוחות hemodynamics שאינם ניתנים להשגה מנתוני הדמיה, ניתן להשתמש ב- CFD כדי להגדיל נתוני MRI של זרימה 4D ברזולוציה נמוכה יותר. איור 1 מראה כיצד CFD נותן תיאור מלא יותר של הזרימה באזורים הקרובים לקיר, המסתובבים מחדש.
איור 1:A) הדמיה של נתוני MRI של זרימה 4D בתוך גיאומטריית כלי השיט. ב) הדמיה של תוצאות סימולציית CFD. באופן כללי, ייעולי CFD לתת הבנה מלאה יותר של דפוסי זרימת הדם בתוך מפרצת מוחית זו.
איור 1 מראה שתוצאות CFD עולות בהסכמה עם MRI של זרימה 4D של in vivo. איור 1 (A) מציג את דפוסי הזרימה המורכבים והמחזירים בתוך אזור המפרצת, את ההרחבה דמוית הבלון של העורק, שזוהו עם MRI של זרימה 4D. עם זאת, אזורים של זרימה עומדת בחלק העליון והתחתון של הנגע אינם מלאים בייעולים. הסיבה לכך היא שיחס האות לרעש באזורים אלה נמוך. זרימה מדומה ל-CFD, המוצגת באיור 1 (B), מספקת שדה מהירות ברזולוציה גבוהה יותר, במיוחד ליד קירות כלי השיט. לפיכך, מודלי CFD מסוגלים לספק הערכות דיוק גבוהות יותר של מדדים רלוונטיים מבחינה קלינית, שמקורם בזרימה, כגון לחץ, WSS ו- PRT, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לחזות התקדמות מחלת מפרצת.
בנוסף, ניתן להשתמש בסימולציות CFD כדי לדגמן תנאי זרימה לאחר הניתוח שייווצרו מאפשרויות טיפול חלופיות. לדוגמה, איור 2 (A) ו-(B) משווים את הזרימה דרך אותו כלי שיט עם קצבי זרימה שונים. על ידי קביעת תנאי גבול מגוונים, כגון הדמיית סיכול כלי ללא זרימה, הזרימה לאחר מגוון טיפולים כירורגיים מוצגת.
איור 2: א) סימולציה לחיתוך כירורגי של העורק המוחי הימני (ACA). ב) סימולציה לגזיר כירורגי של ACA השמאלי. עבור פשטות, נתון זה שומר על קצב הזרימה לפני הניתוח ב- inlet שאינו שונה; במציאות, קצב הזרימה יגדל בכלי הפתוח כדי לפצות. ג) קצבי זרימת דם נורמליים לרשום את תנאי המפרצון עבור מודל זה. נתוני מטופלים מ- MRI של זרימה 4D מספקים תנאי זרימה להדמיה מציאותית של דפוסי זרימה.
היכולת לדמות שדות זרימה לאחר הניתוח הנובעים מטיפולים כירורגיים שונים היא יתרון חשוב של דגמי CFD. על ידי יישום גיאומטריות מציאותיות, ספציפיות למטופל ונתונים זורמים, ניתן להדגים תרחישי טיפול שונים כדי לספק לרופאים מידע על ההשפעה של הליך מתוכנן על דפוסי זרימה. לדוגמה, איור 2 (A) ו-(B) מציגים זרימות חוזרות שיתרחשו אם עורק פרוקסימלי זה או אחר נחתך. ניתן לדמות טיפולים כגון גזירת כלי שיט או פריסת מסיט זרימה, המאפשר לרופאים ולמטופלים להחליט מה יעבוד הכי טוב בכל מקרה ספציפי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
המסגרת המתוארת כאן יכולה לשמש לביצוע סימולציות CFD ספציפיות למטופל. רשת מחדש ברזולוציה גבוהה משמשת לאינטרפולציה של נתוני MRI של זרימה 4D ברזולוציה נמוכה; פעולה זו מבודדת את נתוני הזרימה וממזערת את השגיאה הקשורה לרעש חיצוני לקיר כלי השיט. על ידי שימוש בתנאי גבול מבוססי מטופל עבור זרמי המפרצון והשקע, הסימולציה מסוגלת להתאים את התנאים המודינמיים שמצמויים עם MRI.
שיטות חדשניות עבור PC-MRI מסוגלות להציג טווחים גדולים ודינמיים של מהירויות. עם זאת, זה מוגבל מאוד על ידי זמן סריקת המטופל. לעתים קרובות, נתוני המטופל נרכשים ברזולוציות נמוכות יותר כדי להפחית את הזמן המושקע בסורק. למרבה הצער, הדבר עלול לגרום לנתונים בעלי כינוי או לירידה של אותות, בעיה שהחמירה כאשר מעבר הצבע של קידוד המהירות (VENC) מוגדר גבוה מדי. הדבר עלול להחמיץ נתוני זרימה איטיים ומחזירים. שיוך זרימה וגיאומטריה ספציפיים למטופל עם CFD מספק שיטה יעילה ללכידת דינמיקת זרימת דם ברזולוציה גבוהה.
מה שהופך מודלים מבוססי מטופלים לשימושיים מטבעם הוא יכולתו לספק מידע מפורט ללא צורך להכליל בין חולים, מחלות או טיפולים שבדרך כלל בעלי מאפיינים שונים מאוד. סימולציות מאפשרות לרופאים ומהנדסים לדגמן תרחישי טיפול אלטרנטיביים לפני ביצוע הליך בפועל. ניתן להשתמש בין היתר בדימוי דינמיקת זרימת הדם כדי לדגמן סטנטים להסטת זרימה, השתלת מעקף עורקים והזרקת ניגודיות מבוססת צנתר. בעוד רופאים וחולים מבקשים את התוצאה הטובה ביותר, CFD מספק שיטה להסתכל על זרימה לאחר הניתוח, אשר מספק ראיית הנולד טובה יותר. מלבד תיאור זרימה לאחר הצגת מכשיר או טיפול, CFD מאפשר הערכות של לחצי גיסת בקיר. זה, בשילוב עם ידע כי WSS נמוך לעתים קרובות בקורלציה להתקדמות מחלות עורקים, מאפשר חיזוי או מודל הסתברות. שימוש בכלים חישוביים לזיהוי מבשרי לצמיחת מפרצת, היווצרות קריש דם או דימום פותח את האפשרות לזהות חולים בסיכון מוקדם יותר. לסיכום, השילוב של נתוני תמונה ספציפיים למטופל עם סימולציות CFD הוא כלי רב עוצמה להערכת מחלות וחיזוי כירורגי.
הכרות
המחברים רוצים להודות לד"ר סוזנה שנל ומייקל מרקל מאוניברסיטת נורת'ווסטרן על שסיפקו לנו את נתוני המטופלים 4D המשמשים בנתונים שלנו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
