Biomechanika előadás: Háromdimenziós véráramlástani szimulációk Benjamin Csippa 1111, Budapest, Műegyetem rkp. 3. D ép. 3. em www.hds.bme.hu
Tartalom Mire jó a CFD? 3D szimuláció előállítása Orvosi képtől a numerikus hálóig Numerikus szimuláció Eredmények feldolgozása Esettanulmány
Mire jó a CFD? Mozgásegyenlet (Navier-Stokes egy.) Kontinuitási egyenlet Felhasználás Lejátszódó folyamatok Kockázatok vizsgálata A betegség patogenezis Gyógymódók tervezése és vizsgálata
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)
Hasi aneurizmák Józsa et al. 2014 Journal of Heat and Fluid Flow
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)
Koszorúér szűkület Szív vérellátásáért felelős First world problem! Gazdasági teher
Aneurizmák
Kezelési mód Csipesz Mikro spirál Áramlásmódósító sztent
Sejtes áramlás Závodszky et al. Frontiers in physiology 2017
Előkészítés és szimuláció 1. Képalkotás 2. Szegmentáció és simítás 3. Numerikus hálózás 4. Numerikus módszer 5. Peremfeltételek! (Fizikai kép)
Képalkotás Szegmentáció Felület simítás
Numerikus hálózás Felületi háló feldolgozás Meghosszabítások! Felületből Tömör test SpaceClaim, ICEM, GMSH, FreeCad
Numerikus hálózás Strukturált vagy nem? Mi a célunk? Courtesy of PointWise Inc.
Háló felbontás Felbontás hatása 1. Sebesség eloszlás 2. Csúsztatófeszültség 3. Nyomás kép Ritka háló Fontos beállítások Elemméret Határrétegek száma Sűrű háló Hálófüggetlenségi vizsgálat
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,
Modellezési feltételezések Turbulencia? Aorta áramlás Átmeneti, akár turbulens Agyi és szív artériák, lamináris Re szám kicsi
Modellezési feltételezések Reológia Vér https://www.simscale.com
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, 0 1 0 0 1 2 2 2 0 n i n R i n 2 3 2 3 α Womersly szám Wo [-] Konstans vagy Konstans parabola Időben változó parabola (Adott szív ciklus szerint) Nyomás lefutás Womersley profil (legpontosabb)
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
Esettanulmány Másodlagos áramlások hatása az aneurizmák kialakulására
Esettanulmány Felhasznált geometriák:
Peremfeltételek Newtoni reológia Lamináris model 1M numerikus cella Három szív ciklus Peremfeltételek: Bemenet: Időben változó parabola Kimenet: Konstans nyomás (0 Pa)
Csúsztatófeszültség (WSS) Hát ez nem jó... De miért nem?
Előzetes eredmények Érzékenység: Ugyanaz a geometria Több simítás
Sebességtér (Mit látunk bent?)
Másodlagos áramlások
Másodlagos áramlások Philipp Schlatter et al. 2017
Eredmények feldolgozása Frenet-metszetek A középvonal alapján Főáramlással bezárt szög Sebesség arány
Eredmények Megemelkedett másodalgos áramlás 1.0 közeli sebesség arány Időben változó igénybevétel az endothel sejteken
Eredmények
Validáció Egészséges emberhez tartozó ugyanazon érszakas (PCom) Nincs jele hasonló állapotnak
Végszó
Köszönöm a figyelmet! 1111, Budapest, Műegyetem rkp. 3. D ép. 3. em www.hds.bme.hu