Biomechanika előadás: Háromdimenziós véráramlástani szimulációk

Átírás

1 Biomechanika előadás: Háromdimenziós véráramlástani szimulációk Benjamin Csippa 1111, Budapest, Műegyetem rkp. 3. D ép. 3. em

2 Tartalom Mire jó a CFD? 3D szimuláció előállítása Orvosi képtől a numerikus hálóig Numerikus szimuláció Eredmények feldolgozása Esettanulmány

3 Mire jó a CFD? Mozgásegyenlet (Navier-Stokes egy.) Kontinuitási egyenlet Felhasználás Lejátszódó folyamatok Kockázatok vizsgálata A betegség patogenezis Gyógymódók tervezése és vizsgálata

4 Applikációk Artéria és véna hálózat modellezése (1D) Aorta/Artéria modellezés(1d/3d) Hasi aneurizma Szív billentyű Agyi aneurizma Carotis szűkület Szívkoszorú erek(1d/3d) Stenosis (szűkületek) Sejtes áramlások (arteriola/kapilláris)

5 Hasi aneurizmák Józsa et al Journal of Heat and Fluid Flow

6 Aorta billentyű ISOGeometric analizis: Hálózás nélküldi Véges Elem Módszer CAD és CFD házasítása Az utóbbi 15 év legnagyobb eredménye Hsu, MC., Kamensky, D., Xu, F. et al. Comput Mech (2015)

7 Koszorúér szűkület Szív vérellátásáért felelős First world problem! Gazdasági teher

8 Aneurizmák

9 Kezelési mód Csipesz Mikro spirál Áramlásmódósító sztent

10 Sejtes áramlás Závodszky et al. Frontiers in physiology 2017

11 Előkészítés és szimuláció 1. Képalkotás 2. Szegmentáció és simítás 3. Numerikus hálózás 4. Numerikus módszer 5. Peremfeltételek! (Fizikai kép)

12 Képalkotás Szegmentáció Felület simítás

13 Numerikus hálózás Felületi háló feldolgozás Meghosszabítások! Felületből Tömör test SpaceClaim, ICEM, GMSH, FreeCad

14 Numerikus hálózás Strukturált vagy nem? Mi a célunk? Courtesy of PointWise Inc.

15 Háló felbontás Felbontás hatása 1. Sebesség eloszlás 2. Csúsztatófeszültség 3. Nyomás kép Ritka háló Fontos beállítások Elemméret Határrétegek száma Sűrű háló Hálófüggetlenségi vizsgálat

16 Numerikus módszerek Finite volume method (FVM) Véges térfogatok módszere Traditionally used (but not for long) Fluent, CFX, OpenFOAM, StarCCM, Finite element method (FEM) Végeselem módszer Abaqus, Fenics IsoGeometric Analysis Smooth particle Hydrodynamics (SPH) Xflow, Panormus Lattice Boltzmann Method (LBM) Palabos, SailFish, OpenLB Integrált megoldók VMTKLab, SimVascular MedFlow, Heartflow,

17 Modellezési feltételezések Turbulencia? Aorta áramlás Átmeneti, akár turbulens Agyi és szív artériák, lamináris Re szám kicsi

18 Modellezési feltételezések Reológia Vér

19 Peremfeltételek t in n n n n n N n n e J J J R r J R q R r R q t r u ) ( ) ( 2 ) ( ) ( 1 1 2, n i n R i n α Womersly szám Wo [-] Konstans vagy Konstans parabola Időben változó parabola (Adott szív ciklus szerint) Nyomás lefutás Womersley profil (legpontosabb)

20 Összegezve A munkafolyamat lépései: 1. Orvosi képek feldolgozása körültekintéssel! 1. Szegmentáció & Simítás 2. Numerikus háló generálás 1. Strukturált vagy nem! 2. Felbontás 3. CFD számítás 1. Numerikus módszer 2. Feltételezések a fizikai kép szerint 3. Peremfeltételek megválasztása

21 Esettanulmány Másodlagos áramlások hatása az aneurizmák kialakulására

22 Esettanulmány Felhasznált geometriák:

23 Peremfeltételek Newtoni reológia Lamináris model 1M numerikus cella Három szív ciklus Peremfeltételek: Bemenet: Időben változó parabola Kimenet: Konstans nyomás (0 Pa)

24 Csúsztatófeszültség (WSS) Hát ez nem jó... De miért nem?

25 Előzetes eredmények Érzékenység: Ugyanaz a geometria Több simítás

26 Sebességtér (Mit látunk bent?)

27 Másodlagos áramlások

28 Másodlagos áramlások Philipp Schlatter et al. 2017

29 Eredmények feldolgozása Frenet-metszetek A középvonal alapján Főáramlással bezárt szög Sebesség arány

30 Eredmények Megemelkedett másodalgos áramlás 1.0 közeli sebesség arány Időben változó igénybevétel az endothel sejteken

31 Eredmények

32 Validáció Egészséges emberhez tartozó ugyanazon érszakas (PCom) Nincs jele hasonló állapotnak

33 Végszó

34 Köszönöm a figyelmet! 1111, Budapest, Műegyetem rkp. 3. D ép. 3. em