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脳動脈瘤における血流の計算流体力学シミュレーション
 

脳動脈瘤における血流の計算流体力学シミュレーション

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Click here for the English version.

計算流体力学シミュレーションは、患者の血管系の血流を分析し、診断と治療を導くために使用されます。計算流体力学(CFD)は、数値解析法を使用して流体の流れをモデル化し、高速飛行機周辺の流体の流れ、複雑な配管ネットワークを介した流れなど、さまざまな流れシナリオの現実的な条件をシミュレートします。心血管系。

医療用途では、血管形状を得るために様々な画像技術が使用されています。次に、冠状動脈性心疾患、動静脈奇形、動脈瘤などの血管機能障害の疾患の進行とモデル治療シナリオを予測するために使用されるCFDシミュレーションが実行されます。

このビデオでは、CFDの原理を示し、血管の形状を使用して高解像度の血行力学をモデル化する方法を示し、CFDのいくつかのアプリケーションについて説明します。

まず、心血管のダイナミクスとCFDの原理を理解しましょう。

心血管血行力学は、左右の心室や心房を通る心臓の血流、心臓から身体の他の部分への血管の血流を含む心臓の血流のダイナミクスを記述する。複雑な血管ネットワークは、磁気共鳴血管造影とベロシメトリーまたはX線透視法を使用して可視化することができます。これらの方法は、患者の血管の幾何学的形状を概説し、流れ境界条件を定義する。

これが取得されると、血液速度データは 3D 空間を定義するグラフィカル情報の単位であるボクセルに分割され、各ボクセルで位相シフトが取得されます。これらは、ジャイロ磁気比、主磁場、適用された勾配場、およびスピンの位置によって異なります。これは、スピンの初期位置、スピン速度、およびスピン加速度によって異なります。タウは、4 番目の次元を定義する時間です。

これらのパラメータは MRI によって定義され、CFD シミュレーションに入力されます。3D流速は、ナビエ・ストークス方程式またはNS方程式を数値で解くことによって決定されます。NS方程式は、速度と圧力分布を決定するために解決された流体運動の支配方程式です。それらは流れの密度、速度、圧力および動的な粘度を考慮に入れる。

次に、流体力学の原理を実際の血管形状にどのように適用し、高解像度のCFDシミュレーションを生成するかを見ていきます。

開始する前に、MRA データから患者固有の血管モデルを作成します。これは、画像セグメンテーションのためのオープンソースソフトウェアを使用して行うことができます。

このデモでは、四面体ボリューム メッシュが生成されました。次に、vmtk ランチャー Python GUI を開きます。PypePad で、必要なファイル名を入力します。このベア ボーン コマンドは、入力 STL ファイルをデスクトップからプルします。[実行]、[すべて実行] の選択して、データをプログラムに読み込みます。入力モデルの命令とレンダリングを表示する新しいウィンドウが開きます。

モデルを回転し、各入口位置にカーソルを置きます。スペースバーを押して、1つの入口にシードを配置します。すべての入口に対してこの手順を繰り返します。次に Q キーを押して続行します。次に、すべてのコンセントに対して同じシードの配置を繰り返します。Q をもう一度押して、プログラムを実行します。中心線ファイルが生成され、デスクトップに保存されます。

これで、オープンソースの可視化ツールParaViewを使用して、フローデータを含むボクセルを静止組織から分離する準備ができました。患者固有のボリューム メッシュ、センターライン ファイル、および EnSight.case ファイルのファイルを見つけて、[OK] をクリックしてデータをインターフェイスにロードします。[プロパティ] テーブルに移動し、[適用] を選択してすべての情報を読み込んで読み取ります。次に、パイプライン ブラウザで体積メッシュをハイライト表示します。

[プロパティ] テーブルで、不透明度の値を 0.2 ~ 0.5 の間に変更します。中心線とジオメトリレンダリングが表示されます。次に、トップ メニューに移動し、[フィルター]、[アルファベット順]、[データセットでリサンプリング] の順に選択し、ソースをボリューム メッシュとして設定し、入力を EnSight.case ファイルとして設定します。[OK] をクリックして続行し、[プロパティ] テーブルにフィルタを適用します。次に、新しい [データセットを使用したリサンプル] をハイライト表示し、不透明度を下げます。

上部のメニューから、中心線をサーフェスからポイントに変更します。境界条件を決定するには、インタフェースの右側に移動し、[水平作成ビューを分割]ツールを選択します。[スプレッドシート ビュー]オプションを選択します。[表示]ドロップダウン ボックスから[中心線ファイル]を選択し、ファイルを切り替えて、各入口と流出口内の位置を識別するさまざまなポイントを選択します。次に、スプレッドシート ビューを使用して、2 つの点間の法線ベクトルを計算します。

ベクトルを見つけた後、リサンプルWithデータセットをアクティブにし、[フィルター]、[アルファベット順]、[スライス]の順に選択します。スライスフィルタが表示されていることを確認し、[プロパティ]テーブルに移動し、法線ベクトルの計算に使用した 2 つの点の 1 つに対して、平面の原点を同じ X、Y、Z ポイントの位置として設定します。これを使用して法線の値を入力し、[適用]を選択します。新しく作成したスライス フィルタをアクティブにし、[フィルタ]、[アルファベット順]、[サーフェス フロー]の順に選択します。[適用] をクリックし、新しい [サーフェス フロー] アイテムをアクティブにし、[フィルター]、[アルファベット順]、[グループ時間ステップ]、[適用] の順に続きます。

スプレッドシート ビューで GroupTimeSteps データを開き、[スプレッドシートのエクスポート] または [コピーと貼り付け] を使用して、このデータを Excel にエクスポートします。ParaView 内で、時間ステップと時間ステップサイズを決定します。シミュレーションでは、心臓サイクルをゼロに等しく開始します。したがって、適切なタイム スケールを生成します。次に、スライスフィルターをアクティブにし、[フィルター]、[アルファベット順]、[変数の統合] の順に選択します。

ポップアップで[属性]を変更して[セルデータ]を表示します。これにより、入口スライスの断面積が表示されます。流れデータをANSYS Fluentと互換性を持たせるために、秒の単位で時間スケールを決定し、毎秒メートル単位で入口速度を決定します。

最初の行には、データ名、列数、行数、および繰り返し可能なバイナリ トリガーが含まれている必要があります。次の行には、各データ列の名前が含まれています。レートではなく流れの速度は、それぞれの列ヘッダーの下に設定されます。複数の心周期をスムーズにシミュレートするには、初期速度と最終速度の値が同等である必要があります。

[ファイル]、[読み取り]、[ケース]を選択し、以前に使用したボリューム メッシュ .cas ファイルを開きます。読み込み後にメッシュを表示するには、[読み取り後にメッシュを表示]チェック ボックスをオンにします。[尺度]を選択し、必要な単位変換を適用して、モデルの物理的なサイズが正しいことを確認します。[マテリアルの作成/編集]を選択し、血液の材料プロパティを入力します。

次に、コンソールのコマンド ウィンドウと入力ファイル/ を選択します。読み取り非定常テーブルを使用して、ボリューム メッシュの .cas ファイルと同じ場所にある一時的なフロー 波形を読み込みます。4DフローMRI測定から得られた波形を使用して、入口境界条件を設定します。次に、出口への入口の加重比を使用して、流出口境界条件を設定します。

ナビエ・ストークス方程式の圧力速度結合と離散化に使用する数値スキームを設定します。次に、ソリューションの初期化で、すべての初期値を 0 に設定します。[計算アクティビティ] で、結果を保存するソリューション フォルダーを指定し、[自動保存]、[毎回のステップ] で頻度を指定します。[計算の実行] で、Excel 境界条件データから時間ステップ サイズを設定します。多くの場合、より小さな時間ステップを選択し、Fluent が補間できるようにすることをお勧めします。少なくとも 3 つの心周期について繰り返します。

最後に、最大反復回数を 300 ~ 500 の間に設定します。収束が発生すると、各時間ステップで自動的に反復が停止します。シミュレーションが完全に設定されたら、[初期化]、[初期化]に戻します。[計算の実行] に戻り、[計算]を選択してソルバーを実行します。ソリューションデータは、ANSYS CFD-PostまたはParaViewソフトウェアのいずれかで視覚化できるようになりました。

次に、代表的なデータをいくつか調べます。脳動脈瘤の一例を以下に示します。4DフローMRIデータから、動脈瘤領域内の複雑な再循環流パターンが検出された。しかしながら、分解能は病変の上下部で観察される停滞流の領域において制限される。CFDシミュレーションを実行した後、特に容器壁の近くで、速度場のより高い分解能が得られました。

CFDはまた、同じ容器内の異なる流れ条件を比較するために使用することができます。例えば、左右前大脳動脈の外科的クリッピングのシミュレーションは、流れダイナミクスに対する処置の効果を可視化するのに役立つ。

血流の計算流体力学シミュレーションは、様々な生物医学用途で使用される有用なツールである。

例えば、血管内の出血力学的状態は、アテローム性動脈硬化症および動脈瘤を含む動脈疾患の発症および進行に影響を及ぼす。直接測定は生体内での取得が困難であるため、CFDは血流ダイナミクスのモデル化に使用される標準的な研究ツールです。それは診断のための医者の指導、また異なった処置のシナリオを提供できる。

血管モデリングに加えて、CFDシミュレーションは鼻気道モデルに基づいて気流をシミュレートするのに役立ちます。脳と直接相互作用する標的嗅覚領域に、適切かつ制御された方法で医薬品エアロゾルを提供するプロトコルを設計することは特に有用である。

JoVE の血流をシミュレートするための計算流体力学の紹介を見たところです。次に、3 次元血管形状に基づいて、高分解能血流ダイナミクスをモデル化する方法を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます!

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