vol. 2 4/2013 Inżynier i Fizyk Medyczny
176
artykuł
\
article
kardiologia
\
cardiology
objętość wyrzutowa, ruch i deformacja myocardium, szczytowa
prędkość maksymalnego przepływu krwi, częstotliwość akcji
serca, grubość ściany serca, masa serca, kurczliwość serca mogą
być oszacowane na podstawie badania echokardiograficznego.
Badania kliniczne stanowią podstawę do odwzorowania geome-
trii i tworzenia modeli 3D oraz określenia warunków brzegowych
i początkowych (m.in. ciśnienia, odkształceń płatków zastawek
oraz ściany komory podczas pracy serca) oraz weryfikacji wyników
uzyskanych podczas symulacji komputerowej metodą FSI (
Fluid
Structure Interaction
).
Rys. 3
Porównanie linii prądu przepływu w modelach aorty o różnym stopniu
dylatacji
Do stworzenia geometrii 3D serca wraz z zastawkami i analizy
dynamicznej wykorzystywane jest oprogramowanie (w środo-
wisku Matlab, Image processing, 3D-Doctor Able Software) po-
zwalające na graficzną obróbkę obrazów medycznych (USG, CT,
MRI), konwersje z formatu DICOM oraz segmentację obrazów.
Powstają trójwymiarowe modele serca wraz z zastawkami oraz
odpowiednie modele fizyczne ze szkła, poliuretanu oraz z mate-
riału biologicznego (np. zastawki świńskiej).
Badania
in vitro
dynamiki przepływu krwi oparte są na meto-
dzie modelowania fizycznego, na hydraulicznym układzie krą-
żenia oraz symulacji komputerowej wykorzystującej metodę
elementów skończonych FEM do analizy odkształceń, naprężeń
oraz przepływu krwi (Ansys-Multiphysics).
Metoda wizualizacji laserowej w prosty i szybki sposób po-
zwala na prezentację rozkładu prędkości, przepływu w komorze
serca, przez zastawki, w odpowiednich gałęziach układu naczy-
niowego, określenie miejsc o dużej turbulencji, zawirowaniach,
słabo przemywanych, szczególnie narażonych na powstawanie
skrzeplin. Dokładna analiza profilu prędkości (chwilowych, lo-
kalnych składowych wektora prędkości przepływu w dowolnych
punktach w przestrzeni 3D) w czasie rzeczywistym jest prze-
prowadzana na podstawie pomiarów Impulsowym Ultradźwię-
kowym Przepływomierzem Dopplerowskim. Powstają mapy
wektorów prędkości, turbulencji przepływu oraz mapy kry-
tycznych wartości składowych tensora naprężeń ścinania oraz
Reynoldsa.
Modelowanie pracy serca zawiera analizę zarówno dynamiki
mięśnia serca (myocardium), jak i przepływu krwi przez pracu-
jące zastawki serca. Uwzględnia się także wpływ oddziaływania
ścianka-krew FSI (
Fluid Structure Interaction
) pozwalający na pro-
wadzenie zaawansowanych analiz zjawisk, w których występuje
interakcja pomiędzy przepływającą krwią a płatkami zastawki
oraz wsierdziem.
Rozwijany model serca 3D był wykorzystany m.in. do analizy
wpływu remodelingu lewej komory serca wskutek zastoino-
wej niewydolności krążenia CHF (
Congestive Heart Failure
) i jej
rekonstrukcji.
Jest to obecnie jedyny znany model, który umożliwia symu-
lację FSI wzajemnego oddziaływania ściany (serca), płatków
zastawki oraz krwi (modelowanie strukturalne oraz analizę dy-
namiki przepływy CFX), zawierający mięśnie brodawkowe, za-
stawkę mitralną (wraz z włóknami ścięgnistymi) oraz zastawkę
aortalną.
W ramach realizowanych zadań (projektów doradczych) prze-
prowadzana jest analiza 3-D rozkładu krytycznych wartości pod-
stawowych czynników wpływających na hemodynamikę, takich
jak: tensor naprężeń (laminarnych i turbulentnych-Reynoldsa),
ścienne naprężenia ścinania, lokalne, czasowe i przestrzenne
zmiany naprężeń, oscylacji naprężeń, krytyczne wartości ciśnień
(gradientu ciśnienia) oraz rozkład prędkości, separacji przepły-
wu czy oporności i podatności układu oraz strat energetycznych.
Programy doradcze oparte na symulacjach komputerowych
i modelowaniu fizycznym służą pomocy w zakresie prawidłowej
kwalifikacji pacjentów do zabiegu oraz ustalenia wszystkich ele-
mentów planowania leczenia, w tym operacji chirurgicznej.
Rys. 4
Etapy segmentacji obrazu CT w programie 3D-DOCTOR (Able Software Corp.)
1...,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,...72