Medizinische und nicht-Newtonsche Strömungen
Ausgewählte Forschungsprojekte
Bildbasierte Blutflusssimulationen intrakranieller Aneurysmen
Verantwortlich: PD Dr.-Ing. Philipp Berg
Siehe auch: https://www.forschungscampus-stimulate.de
Intrakranielle Aneurysmen sind krankhafte Aussackungen der menschlichen Hirngefäße. Diese können bereits bei jungen Menschen auftreten und durch Ruptur zu schnellem Tod oder irreversiblen Behinderungen führen. Zur Abschätzung des Rupturrisikos können bildbasierte numerische Methoden eingesetzt werden. Dieser für Patientinnen und Patienten risikofreie Ansatz erlaubt die detaillierte Beschreibung der individuellen Hämodynamik. Dabei lassen sich zahlreiche Metriken ableiten, die für die Risikobewertung genutzt werden können. Ferner kann dieser Ansatz zur gekoppelten Fluid-Struktur-Simulation erweitert werden. Diese bildet neben der Hämodynamik auch die Gefäßwand mit ihren Eigenschaften ab. Im Mittelpunkt steht eine möglichst realitätsnahe Beschreibung der komplexen Interaktion unter Berücksichtigung mechanischer Wandeigenschaften und Pathologien. Ziel ist ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Wirkmechanismen, um die Entwicklung zuverlässiger Rupturrisikomodelle zu unterstützen.
Abbildung: Links: Darstellung hämodynamischer Parameter in patientenspezifischen Aneurysmen, v.r.n.l.: Iso-Fläche der Flussgeschwindigkeit, Wandschubspannung, deren Linienintegralfaltung sowie oscillatory shear index. Rechts: Unterschiede in der Gefäßwandspannung nach Fluid-Struktur-Simulation mit konstanter vs. patientenspezifischer Wanddicke.
Simulation und Optimierung von Implantaten zur endovaskulären Therapie intrakranieller Aneurysmen
Verantwortlich: Dr.-Ing. Samuel Voß
Siehe auch: https://www.forschungscampus-stimulate.de
Ergänzend zur Untersuchung der Aneurysmahämodynamik kann die Therapie mittels endovaskulärer Implantate virtuell abgebildet und patientenspezifisch optimiert werden. Sowohl intraluminale Verfahren (z. B. Flow-Diverter-Stents), intrasakkuläre Methoden (z. B. Woven EndoBridge, Contour Neurovascular System) als auch Embolisationsverfahren (Coiling mit Platinspiralen) lassen sich risikofrei simulieren. Diese Verfahren werden klinisch eingesetzt, um den physiologischen Gefäßzustand wiederherzustellen, indem der Bluteintrag in das Aneurysma reduziert, die Verweilzeit erhöht und die Thrombosierung begünstigt wird. Die bildbasierte Blutflusssimulation ermöglicht die Bewertung der Implantatwirksamkeit, den Vergleich verschiedener Therapieoptionen sowie die gezielte Optimierung von Implantaten in Zusammenarbeit mit Medizintechnikherstellern.
Abbildung: Links: Ein virtuell freigesetzter Flow-Diverter-Stent verdeckt den Aneurysmaeingang sowie ein Seitengefäß. Rechts: Ein intrasakkuläres Implantat reduziert das Einströmen in ein Bifurkationsaneurysma. Jeweils zeigen geschwindigkeitskodierte Stromlinien den modifizierten Blutfluss innerhalb des Aneurysmas.
Bildbasierte Blutfluss- und Gefäßwandsimulation venöser Erkrankungen
Verantwortlich: M.Sc. Janneck Stahl
Siehe auch: https://www.forschungscampus-stimulate.de
Zerebrale venöse Erkrankungen, insbesondere durale Sinusstenosen, können den venösen Blutabfluss beeinträchtigen und werden zunehmend als Ursache für pulsatilen Tinnitus erkannt. Aufgrund ihrer anatomischen Nähe zu den Strukturen des Innenohrs können komplexe poststenotische Strömungen wahrnehmbare Geräusche erzeugen. Numerische Strömungssimulationen ermöglichen eine detaillierte Charakterisierung der Strömungsphänomene wie Jets, Wirbeln und Instabilitäten. Ergänzend erlauben Fluid-Struktur-Interaktionen die Analyse von Gefäßwandvibrationen. Die resultierenden Strömungs- und Wandbewegungssignale können im Zeit-Frequenz-Bereich untersucht und mittels Spektrogrammen visualisiert werden, um relevante Frequenzanteile zu identifizieren. Insgesamt bieten diese Ansätze ein vielversprechendes, nicht-invasives Werkzeug für die patientenspezifische Diagnostik und Therapieplanung.
Abbildung: Links: Schematische Darstellung des komplexen Blutflusses in einer Verengung im rechten Sinus transversus. Das Gefäß grenzt hier direkt an das Felsenbein, welches die Geräusche an die Innenohrstrukturen (violett dargestellt) weiterleitet, was zu pulsatilem Tinnitus führen kann. Rechts: Mithilfe hochaufgelöster numerischer Strömungssimulationen können hochfrequente Pulsationen im Blutfluss detektiert und Wandbewegungssignale mittels Spektrogrammen visualisiert werden.
Simulationen der Luftströmung in den oberen Atemwegen
Verantwortlich: Dr.-Ing. Samuel Voß
Umfangreiche Strömungssimulationen ermöglichen die Analyse von Transitionsphänomenen innerhalb des menschlichen Kehlkopfes während des Atemvorgangs. Hierfür kommen direkte numerische Simulationen (DNS), Large-Eddy-Simulationen (LES) und Lattice-Boltzmann-Methoden (LBM) zum Einsatz. Infolge der Verwendung patientenspezifischer Modelle auf Basis klinischer CT-Daten gelingt eine möglichst realistische Beschreibung der Luftströmung. Die anschließende Auswertung der Geschwindigkeitsfelder zielt auf den Vergleich von gesunden und erkrankten Atemwegen ab. Darüber hinaus sollen Zusammenhänge zwischen Strömungscharakteristika, Atmung und Stimmqualität untersucht werden.
Abbildung: Links: Segmentierung der oberen Atemwege von der Nase bis zur oberen Trachea sowie anschließende Strömungssimulation, rechts: Detailgrad der Strömungsauflösung infolge dreier unterschiedlicher Simulationsansätze.
Experimentelle Strömungsmessungen zur Validierung numerischer Blutflussvorhersagen
Im Rahmen des Forschungscampus STIMULATE mit der Förderungsnummer 13GW0095A
Verantwortlich: Dipl.-Ing. Christoph Roloff
Siehe auch: https://www.forschungscampus-stimulate.de
Die numerische Strömungssimulation (CFD) gilt als vielversprechendes Werkzeug, hämodynamische Vorgänge besser zu verstehen und für dabei aufgeworfenen Problemstellungen anschließend Lösungen zu finden bzw. diese zu optimieren. Allerdings ist die Validierung solcher Rechnungen aufgrund der zwangsläufig getroffenen modelhaften Vereinfachungen nach wie vor unerlässlich. Innerhalb des Projekts wird daher fortwährend an hochaufgelösten in-vitro Strömungsmessungen mit modernsten optischen Verfahren (Particle Image Velocimetry (PIV), Particle Tracking Velocimetry (PTV)) gearbeitet, um das Vertrauen in die Simulationen weiter zu stärken. Insbesondere die Untersuchung von zerebralen Aneurysmen in Verbindung mit strömungsbeeinflussenden medizinischen Implantaten (Flow-diverter, Stent, etc.) steht dabei im Fokus der Forschung.
Abbildung: Stromlinien innerhalb einer patientenspezifischen Aneurysmageometrie, gemessen mittels Stereo-PIV an einem transparenten Silikonmodell
Numerische Modellierung von Blutschädigung in Strömungen
Verantwortlich: M.Sc. Sebastian Engel
In der Entwicklung von belastungsarmen medizinischen Produkten sind computergestützte Werkzeuge wie die Strömungssimulation ein wichtiger Baustein. Insbesondere die Entwicklung von blutbenetzten Maschinen wie Blutpumpen ist herausfordernd. In solchen künstlichen Umgebungen kann Blut Belastungen ausgesetzt sein, die die natürlichen übersteigen und in einer Schädigung des Blutes resultieren können. Schaden kann dabei auf mehreren Ebenen auftreten, vor allem bei den zellulären Komponenten: rote und weiße Blutzellen (Erythrozyten und Leukozyten), und Blutplättchen (Thrombozyten).
Damit Blutströmungen in künstlichen Geräten numerisch verbessert werden können, ist es notwendig diese Schädigung zu modellieren. Dafür existieren zahlreiche Ansätze. In andauernder Forschung werden Modellierungsmethoden analysiert, untereinander verglichen und in Simulationswerkzeugen implementiert. Ein Fokus wurde hier auf die Hämolysemodellierung (mechanische Schädigung roter Blutzellen) gelegt.
Diese Arbeit bildet eine Grundlage für die systematische numerische Optimierungen von blutbenetzten Maschinen, z.B. Blutpumpen. Dieselben Methoden lassen sich jedoch auch auf weitere Anwendungen wie Oxygenatoren oder natürliche Erkrankungen wie Stenosen erweitern.
Abbildung: Räumliche Verteilung des Hämolyseverhältnis (Konzentration von Hemoglobin im Plasma) in einer axialen Blutpumpe. Dargestellt in einem volumen-gerenderten Verteilung. Ansicht seitlich auf das Laufrad und dem Leitrad.
Einfluss von Polymeren und Fasern auf den Druckverlust in turbulenten Kanalströmungen
Verantwortlich: Dr.-Ing. Amir Eshghinejadfard
Der Einfluss auf den Druckverlust bei Zugabe geringfügiger Mengen an Zusätzen zu Fluiden ist von großem industriellem Interesse. Innerhalb dieses Projektes wird deswegen in einer quasi-zweidimensionalen Kanalströmung experimentell untersucht, welche Änderung des Druckverlusts bei Zugabe unterschiedlicher Materialen erreicht werden kann. Die Untersuchungen decken dabei einen weiten Bereich an Reynoldszahlen im Kanal und an Materialkonzentrationen von zwei verschiedenen Polymeren und fünf verschiedenen Fasertypen ab. Beispielsweise konnte mit 200 ppm Xanthan eine Druckverlustminderung von bis zu 22% bei Re=30 000 erreicht werden, wobei diese Wirkung nicht dauerhaft erzielt werden konnte. Mit stabförmigen Carbonfasern wurde eine Druckverlustreduktion von 3% beobachtet. Es zeigt sich insgesamt eine Abhängigkeit von der Streckung (Form) der Fasern, jedoch kaum Abhängigkeit von der Reynoldszahl.
Abbildung: Schematischer Aufbau der Versuchsanlage zur Untersuchung des Einflusses von Additiven auf den Druckverlust in der Kanalströmung.
Abbildung: Druckverlustminderung als Funktion der Reynolds-Zahl für Xanthan.