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脑动脉瘤血流的计算流体动力学模拟
 

脑动脉瘤血流的计算流体动力学模拟

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计算流体动态模拟用于分析患者血管中的血流,以指导诊断和治疗。计算流体动力学(CFD)使用数值分析方法对流体流动进行建模,并模拟许多不同流动场景的真实条件,例如高速飞机周围的流体流、复杂的管道网络以及我们心血管系统。

在医学应用中,各种成像技术用于获取血管几何形状。然后进行CFD模拟,用于预测疾病进展和血管功能障碍(包括冠心病、动脉畸形和动脉瘤)的建模治疗方案。

本视频将说明CFD的原理,展示血管几何如何用于为高分辨率血液动力学建模,并讨论CFD的一些应用。

首先,让我们了解心血管动力学和CFD原理。

心血管血液动力学描述心脏血流的动态,包括通过左右心室和心室,以及血管中的血液从心脏流向身体的其他部位。复杂的血管网络可以使用磁共振血管造影术和测速仪或X射线荧光镜进行可视化。这些方法勾勒出患者血管的几何形状,并定义流动边界条件。

一旦获得这些数据,血速数据被分割成体素,这是定义3D空间的图形信息单位,并在每个体素处获得相移。这取决于陀螺比、主磁场、应用梯度场和自旋位置。这反过来又取决于自旋的初始位置、自旋速度和自旋加速度。Tau 是定义第四个维度的时间。

这些参数由 MRI 定义,并输入到 CFD 模拟中。3D 流速通过数值求解纳维-斯托克斯或 NS 方程来确定。NS方程是流体运动控制方程,用于确定速度和压力分布。它们会考虑流量的密度、速度、压力和动态粘度。

现在,我们将了解流体动力学的这些原理如何应用于真实血管几何,以生成高分辨率 CFD 模拟。

在开始之前,根据 MRA 数据创建患者特定的血管模型。这可以使用开源软件进行图像分割。

在此演示中,生成了四面体体积网格。现在打开 vmtk 启动器 Python GUI。在 PypePad 中,输入必要的文件名。此裸骨骼命令将从桌面中提取输入的 STL 文件。选择"运行",全部运行以将数据加载到程序中。将打开一个新窗口,显示输入模型的说明和呈现。

旋转模型并将光标放在每个入口位置。按空格键将种子放在一个入口。对所有入口重复此操作。然后按 Q 继续。现在,对所有插座重复相同的种子放置。再次按 Q 并让程序运行。将生成中心线文件并将其保存到桌面。

现在,我们已准备好使用开源可视化工具 ParaView 将包含流数据的体素与固定组织分离。找到以下文件:患者特定的卷网格、Centerline 文件和 EnSight.case 文件,然后单击"确定"将数据加载到界面上。导航到"属性"表,然后选择"应用"以加载和读取所有信息。然后在管道浏览器中突出显示体积网格。

在"属性"表中,将不禁性值更改为 0.2 和 0.5 之间。中心线和几何渲染现在应可见。接下来,转到顶部菜单并选择"筛选器"、"字母表"、"使用数据集重新采样",并将源设置为卷网格,将输入设置为 EnSight.case 文件。单击"确定"以继续,并在"属性"表中应用筛选器。然后,突出显示新的"使用数据集重新采样"并减少不集中性。

从顶部菜单中,将中心线从曲面更改为"点"。要确定边界条件,请转到界面的右侧并选择"拆分水平创建视图"工具。选择"跨页视图"选项。从"显示"下拉框中,选择"中心线"文件并循环浏览文件,选择各种点以标识每个入口和出口内的位置。现在,使用"铺张图"视图计算两点之间的法线矢量。

找到矢量后,激活"重新采样与数据集"并选择"筛选器、字母表、切片"。确保出现 Slice 筛选器,然后转到"属性"表,并将平面原点设置为用于计算法向量的两个点之一的平面原点。使用此选项可填写正常值,然后选择"应用"。激活新创建的切片筛选器并选择"滤镜、字母表"和"曲面流"。单击"应用",然后激活新的"曲面流"项,然后按"筛选器"、字母顺序排列、分组时间步长、应用。

在"传播表视图"中,打开 GroupTimeSteps 数据并使用导出电子表格或复制粘贴将此数据导出到 Microsoft Excel。在 ParaView 中,通过循环穿越时间来确定时间步长和时间步长大小。对于模拟,我们希望心脏周期在时间处开始等于零。因此,生成适当的时间刻度。然后激活切片筛选器并选择筛选器、字母顺序和集成变量。

从弹出窗口中,更改属性以显示单元格数据。这为您提供入口切片的横截面区域。要使流数据与ANSYS Fluent兼容,请用秒为单位确定时间刻度,用每秒米为单位确定进气速度。

第一行必须包含数据名称、列数、行数和二进制触发器,以便可重复性。下一行包含每个数据列的名称。流速(而不是速率)设置在相应的列标题下方。为了顺利模拟多个心脏周期,初始和最终速度值应等效。

选择文件、读取、大小写和打开以前使用的卷网格 .cas 文件。选中"读取后显示网格"复选框以显示导入后的网格。选择"缩放"并应用必要的单位转换,以确保模型的物理大小正确。选择"材质创建/编辑",并为血液输入材质属性。

现在,选择控制台命令窗口和输入文件/。使用读取瞬态表导入位于与体积网格 .cas 文件相同的位置的瞬态流波形。使用从 4D 流量 MRI 测量中获得的波形来设置入口边界条件。然后使用入口与出口的加权比率来设置出口边界条件。

设置用于纳维埃-斯托克斯方程的压力速度耦合和离散化的数值方案。然后,在"解决方案初始化"中,将所有初始值设置为零。在"计算活动"下,指定一个解决方案文件夹以保存结果,并指定使用"自动保存""每次步骤"指定频率。在"运行计算"下,从 Excel 边界条件数据设置时间步长大小。通常最好选择较小的时间步长并允许 Fluent 插值。重复至少三个心脏周期。

最后,将最大迭代次数设置为 300 和 500 之间。一旦收敛发生,软件将在每个时间步骤时自动停止迭代。完全设置模拟后,返回初始化、初始化。返回到运行计算并选择计算以运行解算器。解决方案数据现在可以在ANSYS CFD-Post或ParaView软件中可视化。

现在,我们将检查一些具有代表性的数据。下面是脑动脉瘤的例子。从4D流MRI数据中,检测到动脉瘤区域内复杂的循环流模式。然而,在病变顶部和底部观察到的停滞流动区域,分辨率是有限的。运行CFD模拟后,获得了更高的速度场分辨率,特别是在容器壁附近。

CFD 还可用于比较同一容器的不同流动条件。例如,模拟左右前脑动脉的手术剪裁有助于可视化手术对流动动力学的影响。

血流计算流体动态模拟是各种生物医学应用的有用工具。

例如,血管内的血管内血液动力学条件影响动脉疾病(包括动脉粥样硬化和动脉瘤)的发展和进展。由于直接测量很难在体内获得,CFD 是用于模拟血流动力学的标准研究工具。它可以为医生提供诊断指导,以及不同的治疗方案。

在血管建模的基础上,CFD 模拟用于模拟基于鼻气道模型的气流。设计协议以适当和可控的方式向与大脑直接相互作用的目标嗅觉区域输送药物气溶胶特别有用。

您刚刚观看了 JoVE 关于计算流体动力学的介绍,以模拟血流。现在,您应该了解如何基于三维血管几何体对高分辨率血流动力学进行建模。感谢您的收看!

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