¬аше окно в мир —јѕ–
 
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

8 но€бр€ 2018

»спользование SOLIDWORKS в вычислительной и экспериментальной гемодинамике

ј. ёхнев, я. √атаулин, я. »ванова, ƒ. —иницына, —. ’оробров

јндрей ёхнев Ч заведующий лабораторией —ѕбѕ”,
яков √атаулин Ч математик —ѕбѕ”,
яна »ванова Ч инженер —ѕбѕ”,
ƒарь€ —иницына Ч аспирант —ѕбѕ”.
—в€тослав ’оробров Ч инженер-математик ЂЌѕќ ÷ “»ї.

ќригинал статьи на сайте компании ЂЅюро ESGї

¬ статье приведены примеры использовани€ системы автоматизированного проектировани€ SOLIDWORKS в вычислительной и экспериментальной гемодинамике: построение моделей артерий дл€ расчета кровотока с использованием данных компьютерной томографии и ультразвуковой диагностики, отливка из силикона и 3D-печать моделей протезов сосудов и клапанов сердца дл€ экспериментальных стендов. ћодели спроектированы и используютс€ в лаборатории гидродинамики кровообращени€ кафедры гидроаэродинамики, горени€ и теплообмена —анкт-ѕетербургского политехнического университета ѕетра ¬еликого.

«адачи моделировани€ естественного и патологического кровообращени€, решаемые в лаборатории, формулируютс€ хирургами ведущих кардиологических и сосудистых центров, а также конструкторами предпри€тий, выпускающих протезы сосудов, клапанов сердца и медицинские ультразвуковые приборы. ƒл€ их решени€ примен€ютс€ методы как физического, так и математического моделировани€ [1, 2].

ƒл€ экспериментальных исследований модели изготавливаютс€ из фотополимера на 3D-принтерах [3] и из силикона отливкой в специальных формах. ƒл€ численных расчетов стро€тс€ среднестатистические и персонифицированные модели. ѕоследние используютс€ дл€ пациенториентированных расчетов кровотока.

ћодели дл€ 3D-печати

ƒл€ моделировани€ сосудистого кровотока нами спроектирован и изготовлен имитатор с модел€ми сосудов, размещенными в контейнере с тканеэквивалентным наполнителем. ¬ модел€х создаетс€ пульсирующий поток кровеимитирующей жидкости со слабой (физиологической) закруткой потока на входе (рис. 1).
SOLIDWORKS гемодинамика

–ис. 1. 3D-модель имитатора кровотока в сосудах: а Ч 3D-модель бифуркации сонной артерии и модель сонной артерии со стенозом, напечатанна€ из фотополимера на 3D-принтере; б Ч 3D-модель соединени€ сосуда и протеза со спиральной насечкой, напечатанна€ из фотополимера на 3D-принтере, и модель соединени€ протеза с гладкими стенками; в Ч 3D-модель и напечатанное входное устройство со скрученной лентой

ќсновными элементами имитатора €вл€ютс€ центробежные насосы, управл€емые контроллерами, элементы пневмоавтоматики и модели, напечатанные на 3D-принтере. ¬изуализаци€ пол€ скорости проводитс€ ультразвуковым сканером с доплеровскими режимами измерени€ параметров 3D-пол€ скорости. √еометрические параметры входного устройства в виде скрученной ленты рассчитаны в программном пакете ANSYS CFX дл€ формировани€ физиологического значени€ закрутки потока (отношение максимальных окружной и продольной скоростей Ч 1:5). ћодель скрученной ленты внутри цилиндрического канала создана в программе SOLIDWORKS с применением инструментов √ибкие и ѕоворот к пластинке (0,4×6×20), полученной путем выт€гивани€ пр€моугольного контура на заданное рассто€ние (рис. 1а).

ћодели сонной артерии с сужени€ми (стенозами) разной степени построены в программе SOLIDWORKS с использованием инструмента Ѕобышка по сечени€м (рис. 1б). ¬ плоскост€х, расположенных на малом рассто€нии друг от друга и ориентированных вдоль центральной оси модели, построены контуры, представл€ющие собой окружности заданного радиуса. Ќабор данных контуров соедин€лс€ вместе дл€ получени€ трехмерной модели.

ћодели соединени€ протеза с бедренной артерией (анастомозы) разработаны с целью оптимизации и выбора наилучшего протеза, снижающего риск послеоперационных осложнений. —равнивались протезы с гладкой внутренней стенкой и со спиральной насечкой (шаг 30 мм, высота 2 мм). ћодели, построенные в SOLIDWORKS, представл€ют собой две соединенные трубки, кривизна которых задавалась инструментами √ибкие и »згибание, а спиральна€ насечка Ч инструментом ¬ырез вдоль криволинейной траектории (рис. 1в). ƒополнительно в модел€х спроектированы отводы дл€ подключени€ датчиков давлени€ до и за соединением сосудов.

ћодели дл€ силиконовых отливок

»спытани€ различных конструкций протезов клапанов сердца и валидаци€ математических моделей 3D-кровотока через них проводитс€ на гидродинамическом стенде (пульсдупликатор Vivitro Labs) ÷ентра доклинических и трансл€ционных исследований ‘√Ѕ” ЂЌћ»÷ им. ¬.ј. јлмазоваї (рис. 2). √идродинамический стенд предназначен дл€:
  • моделировани€ работы левого сердца насосом с компьютерным управлением кривой расхода в норме и при патологи€х;
  • моделировани€ работы искусственных механических и биологических клапанов сердца в аортальной и митральной позици€х;
  • моделировани€ периферического сопротивлени€ и эластичности сосудов;
  • измерени€ пульсирующих давлений и расходов, видеорегистрации работы клапанов и расчета их гидродинамических характеристик.
SOLIDWORKS гемодинамика

–ис. 2. ‘ормы и силиконовые отливки дл€ имитатора кровотока Vivitro Labs: а Ч 3D-модели формы дл€ отливки и силиконовый корень аорты (с шаровым искусственным клапаном сердца); б Ч 3D-модель стеноза, форма дл€ отливки и силиконовый сосуд со стенозом

—тенд также позвол€ет моделировать индивидуальные кривые расхода в модел€х сосудов, в том числе при различных заболевани€х, а также при протезировании сосудов.

—иликонова€ модель левого желудочка позвол€ет моделировать его сокращени€ и визуализировать поток за митральным клапаном сердца. —иликоновый корень аорты спроектирован дл€ моделировани€ и визуализации потока в аортальном клапане, в том числе и с помощью ультразвуковых доплеровских медицинских приборов. «нак и две половины формы напечатаны из фотополимера. –азмеры силиконовой отливки: входной диаметр 30 мм, толщина стенки 2 мм.

ƒл€ исследовани€ сосудистого кровотока и разработки новых ультразвуковых методик анализа 3D-пол€ скорости спроектированы модели сосудов с сужени€ми (стенозами) разной степени Ч от гемодинамически незначимых (30% по диаметру) до сильных (70%). ќбе половины формы и знак напечатаны из фотополимера, цилиндрические части знака изготовлены из калиброванных стальных стержней. ¬нутренний диаметр силиконовых сосудов Ч 6 мм, а толщина стенки Ч 1 и 1,5 мм. ѕоток кровеимитирующей жидкости исследуетс€ ультразвуковым сканером, в частности, измер€ютс€ продольна€ и окружна€ составл€ющие скорости по авторской методике в режимах цветового доплеровского картировани€ и импульсно-волновом.

ћодели дл€ численных расчетов

—реднестатистическа€ модель аорты, состо€щей из восход€щей аорты (1), дуги аорты (2), сонных артерий (3-4), подключичной артерии (5) и нисход€щей аорты (6), построена по размерам, полученным после обработки и осреднени€ индивидуальных форм и размеров сосуда (рис. 3а). “ак же построена и среднестатистическа€ модель корн€ аорты с трем€ расширени€ми за створками аортального клапана, в которой размещена модель двустворчатого искусственного клапана сердца St.Jude Medical (рис. 3б). ќтметим, что модель €вл€етс€ динамической и используетс€ при расчетах кровотока либо с заданным законом движени€ створок (открыти€ и закрыти€ поворотом в шарнирных соединени€х) или заданными физическими свойствами створок (сопр€женное решение уравнений механики створок и движени€ жидкости).

ѕерсонифицированна€ модель бифуркации сонной артерии со стенозом на внутренней ветви построена по серии  “-ангиограмм сосуда (рис. 3в). — помощью оцифровки и совмещени€ изображений в двух взаимно-перпендикул€рных плоскост€х получен трехмерный набор точек, соответствующий центральной оси общей сонной артерии и ее ветвей. ƒанный набор точек импортирован в SOLIDWORKS, и по нему построена сглаживающа€ крива€ (инструмент 3D-сплайн), служаща€ основой дл€ построени€ цилиндрической поверхности, моделирующей внутреннюю стенку артерии.

ƒл€ модели аорты (рис. 3а) и сонной артерии со стенозом (рис. 3в) построена расчетна€ сетка типа O-grid в программе ICEMCFD, котора€ состоит из четырехугольных призматических элементов. ¬ окрестности стеноза сетка имеет дополнительное измельчение с целью лучшего разрешени€ структуры потока в этом месте. –азмер элементов сетки выбран исход€ из исследовани€ на сеточную сходимость. –азмерность сеток Ч пор€дка 1 млн элементов.

¬ задаче, посв€щенной расчету течени€ в модели протеза клапана сердца, построены: призматическа€ структурированна€ сетка перед и за клапаном и неструктурированна€ Ч с тетраэдрическими элементами в самом клапане (рис. 3б). —етка построена в программе ANSYS Meshing и состоит из 2,5 млн элементов.

SOLIDWORKS гемодинамика

–ис. 3. 3D-модели дл€ численного расчета кровотока: а Ч среднестатистическа€ модель аорты с отход€щими ветв€ми; б Ч среднестатистическа€ модель корн€ аорты с двустворчатым искусственным клапаном сердца; в Ч персонифицированна€ модель бифуркации сонной артерии со стенозом; нижний р€д Ч элементы расчетных сеток

–асчеты ламинарных и турбулентных течений в построенных модел€х провод€тс€ с использованием программы Ansys CFX. –ассчитываютс€ пол€ давлений и компоненты скорости в потоке, сдвиговые напр€жени€ на стенках сосуда.  ак правило, результаты расчета тестируютс€ сравнением с результатами измерений, проведенных на физических модел€х рассчитываемых течений.

ѕостроение и изготовление моделей финансировалось –оссийским фондом фундаментальных исследований (гранты є 15-01-07923 и є18-01-00629).

Ћитература

  1. .Ѕегун ѕ.». Ѕиомеханическое моделирование объектов протезировани€. —ѕб, 2011. 464 с.

  2. .√ол€дкина ј.ј., »ванов ƒ.¬.,  аменский ј.¬. и др. ѕрактическое применение системы автоматизированного проектировани€ SOLIDWORKS в моделировании кровеносных сосудов. —аратов, 2011. 153 с.

  3. .Mosadegh, B.; Xiong, G.; Dunham, S.; Min, J.K. Current progress in 3D printing for cardiovascular tissue engineering. Biomed. Mater. 2015, 10, 034002.



¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

ќбзор новостей:  ќкт€брь

ƒавид Ћевин:

ѕроводишь —јѕ–-форум Ц следовательно существуешь

  • ANSYS: партнЄрство с PTC?
  • јнастаси€ ћорозова жжЄт
  • Ёрик де  ейзер: BricsCAD теперь не клон, а циклон
  • јлександр √оликов: дл€ нашего роста нет никаких ограничений
  • ћаксим Ѕогданов: BIM уверенно мчитс€ по рельсам –ос“»ћ
  • —ергей  ураксин отвечает на вопрос ребром
  • √лава DS SOLIDWORKS: строительству нужен не BIM, а 3DEXPERIENCE
  • NVIDIA: очередной суперкомпьютер с возможност€ми »»

¬се номера       

ѕодписатьс€ на рассылку isicad

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: ѕользователь Ц далеко не единственный источник истины дл€ вендора
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2018 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.