探究睡眠呼吸暂停【Simpleware应用】

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概述 理解如何维持气道通畅的基础是咽部被动机械变形对上气道塌陷的作用进行分析。本项研究首先在 Simpleware 软件中使用 CT 扫描数据创建了精细的 3D 解剖模型,然后采用有限元分析(FEA)方法研究变形情况。结果与体内试验及文献报道吻合较好,可以作为更全面地模拟人上气道塌陷和治疗阻塞性睡眠呼吸暂停的起点。 亮点 从 CT 获取人体上气道图像数据在 Simpleware ScanIP 中重建 36 个不同的解剖结构在 Simpleware FE 中生成有限元网格并施加内气道压力边界条件在 ANSYS Workbench 中进行气道变形模拟 图像处理和网格生成 采用多层螺旋 CT 扫描仪获取一例 79 岁男性的正常气道 CT 扫描数据。通过 Simpleware ScanIP 对 DICOM 文件进行三维重建和分析。对整个图像应用二值化的中值滤波以降低噪声;采用噪声曲率流滤波器促进区域内平滑、抑制区域间平滑、去除噪声,增强灰度边界。对36个单独的组织、骨骼、软骨、韧带、肌肉和膜的解剖结构进行分割。采用递归高斯平滑对分割后的结构进行平滑处理,进一步降低噪声水平,减弱锐利的边缘。将模型的下侧裁剪至声带附近,从而减少 FEA 的计算需求。 图:用于 FEA 的三维模型渲染图。每个数字和不同颜色代表特定的解剖结构。 使用 Simpleware FE 创建由正四面体单元组成的网格,进行局部网格细化和额外的网格改进措施。多部分网格在接触界面上具有共享节点,在气道壁上定义的节点集施加内气道压力边界条件,并在立方体域边界与模型的界面处定义节点集;在这里也采用了固定边界条件。 模拟结果 划分的网格和节点集以 .cdb 格式导入 ANSYS Workbench 进行模拟。在 Image J 中分析横截面积,证明网格已收敛。在小变形的限制下估算被动咽部组织的性质,以线性弹性作为合理假设。 在不同气道压力下分析口咽部和腭咽的横截面积,确定大气压(零)附近的面积随压力的变化斜率,并与已发表的放松状态下已麻醉正常人的体内实验数据进行比较。研究结果提供了新的理解,有助于进一步基于图像建模研究,也有助于针对口腔压力治疗设备进行新型医疗器械设计。 图:在基于三维 CT 的人咽部有限元模型中,整体和定向局部变形的矢状断面视图。(A)总变形;(B)横向变形;(C)前后向变形;和(D)垂直向变形 参考 致谢请参考英文原文;Carrigy, N.B. et al., 2016. Simulation of muscle and adipose tissue deformation in the passive human pharynx. Comput Methods Biomech […]

患者复杂主动脉夹层的血流动力学模拟

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概述 对于希望虚拟重现主动脉夹层疑难病例患者主动脉内血流这个目标来说,Simpleware ScanIP 是一个不可或缺的宝贵工具,它不仅能够准确地提取这些患者复杂的主动脉几何结构,而且还提供了重要的形态和功能信息,这对于建模工作流程至关重要。 亮点 开发工作流程实现由非侵入性临床数据获得主动脉夹层的个性化计算流体力学(CFD)模型使用 Simpleware ScanIP 从 CT 图像中提取三个复杂研究个案患者的特定结构使用 ANSYS® CFX 完成 CFD 模拟,提供的血流动力学方面见解可以增强临床认识、支持决策过程。 介绍 主动脉夹层(AD)是一种可危及生命的血管疾病,发病率和死亡率都很高。在 AD 中,主动脉内膜层的撕裂导致血液在血管壁内流动,产生两个或更多流道,真腔(TL)和一个或多个假腔(FL)被内膜皮瓣(IF)隔开。主动脉夹层的形态高度复杂且具有患者特异性,通常由多个IF撕裂表现为曲折的FL与TL相连。这种复杂的环境产生异常的血流动力学应力(如压力和剪切应力),从而驱动疾病演变。目前,成像技术无法准确评估体内血流动力学。然而,临床图像和计算流体动力学(CFD)的结合可以提供重要的预后见解,从而支持这种危及生命疾病的临床决策过程。 工作流程说明 开发主动脉夹层 CFD 模型生成和个性化的工作流程。涉及的步骤: 利用 Simpleware ScanIP 重建患者特定主动脉的 CT 扫描几何结构为模拟特定患者主动脉的血流动力学包络调整 CFD 模型的边界条件在 ANSYS 软件中求解计算模型并进行结果的后处理 借助Simpleware ScanIP进行结构分割 将临床 CT 扫描的 DICOM 文件直接导入 Simpleware ScanIP 中,采用中值滤波处理,降低图像的“椒盐”噪声。对于以主动脉及其主要分支为代表的感兴趣区域,首先采用自动阈值算法(即 floodfill)分割,然后手动细化,以准确描述 IF 及其撕裂。为消除像素伪影,对生成的掩模采用平滑算法,然后通过 Simpleware ScanIP 中的自动工具垂直于脉管中心线裁剪,从而创建 CFD 模型的流入和流出边界。然后将患者特定的主动脉夹层面模型作为建立模型导入 ANSYS®软件。 图:主动脉夹层的分割:(a)CT数据的渲染;(b)平滑后的分割掩模;(c)模拟中使用的三维模型 图:对3个研究案例进行几何重构,箭头表示内膜瓣内撕裂的位置 CFD模型的设置和个性化 CFD […]