Medizinische und nicht-Newtonsche Strömungen

Ausgewählte Forschungsprojekte

 

Blutflussvorhersage in intrakraniellen Aneurysmen zur Rupturvorhersage

Im Rahmen des Forschungscampus STIMULATE mit der Förderungsnummer 13GW0095A

Verantwortlich: 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 einem schnellen Tod oder irreversiblen Behinderungen führen. Zur Abschätzung des Rupturrisikos werden zunehmend numerische Methoden eingesetzt (siehe Abbildung). Dieser für den Patienten risikofreie Ansatz erlaubt die detaillierte Beschreibung der individuellen Hämodynamik.

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Abbildung: Darstellung hämodynamischer Parameter in patientenspezifischen Aneurysmen.  Wandschubspannung (links),  3D Volume-Rendering der Blutflussgeschwindigkeit (Mitte), geschwindigkeitskodierte Stromlinien (rechts).

 

Large-Eddy-Simulationen der Luftströmung im menschlichen Kehlkopf

Verantwortlich: M.Sc. Samuel Voß

Umfangreiche Large-Eddy-Simulationen ermöglichen die Analyse von Transitionseffekten innerhalb des menschlichen Kehlkopfes während des Atemvorgangs. Infolge der Verwendung von patienten-spezifischen Modellen auf Basis von klinischen CT-Bilddaten gelingt eine möglichst realistische Beschreibung der Luftströmung. Die anschließende Auswertung der Geschwindigkeitsfelder zielt auf den Vergleich von  gesunden und erkrankten Atemwegen. Ferner sollen Rückschlüsse über die Wechselwirkung zwischen Strömungscharakteristiken und der Atmung bzw. der Stimmqualität gezogen werden.

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Abbildung: Large-Eddy-Simulationen der Luftströmung im menschlichen Kehlkopf.

 

Optimierung einer Flow-Diverter Geometrie

Verantwortlich: apl. Prof. Gábor Janiga

Um behandelnde Ärzte bei ihrer Interventionsplanung unterstützt zu können, werden    Behandlungsmethoden virtuell nachempfunden und im Anschluss patientenindividuell verbessert. Hierbei ist die Behandlung mittels sog. Flow Diverter Stents zu nennen, die aufgrund ihrer feinmaschigen Struktur den Blutfluss in ein Aneurysma senken und eine Thrombosierung initiieren.

Dieses Projekt fokussiert sich auf die Optimierung von Flow Diverter Stents, um eine automatische und patienten-spezifische Behandlung ermöglichen zu können. Dafür müssen unterschiedliche Software-Tools mittels OPAL++ gekoppelt werden, um die schnelle und robuste Untersuchung unterschiedlicher Patienten zu erlauben. Im Projekt wurde eine Testgeometrie bereits erfolgreich untersucht und verbessert (siehe Videos).

Abbildung: Darstellung der Blutflussgeschwindigkeit in einem patientenspezifischen Aneurysma vor (links) und nach (rechts) der Behandlung mittels Flow Diverter Stent.

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.

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Abbildung: Stromlinien innerhalb einer patientenspezifischen Aneurysmageometrie, gemessen mittels Stereo-PIV an einem transparenten Silikonmodell

Fluid-Struktur-Simulation intrakranieller Gefäße und Aneurysmen

Im Rahmen des Forschungscampus STIMULATE mit der Förderungsnummer 13GW0095A

Verantwortlich: M.Sc. Samuel Voß
Siehe auch: https://www.forschungscampus-stimulate.de

Die Fluid-Struktur-Simulation stellt eine Erweiterung der inzwischen etablierten strömungsmechanischen Simulation von intrakraniellen Aneurysmen dar. Diese bildet neben der Hämodynamik auch die Gefäßwand mit ihren Eigenschaften ab. Im Mittelpunkt steht eine möglichst detailierte Beschreibung dieser komplexen Interaktion unter Berücksichtigung von mechanischen Wandeigenschaften und Pathologien. Ziel ist ein tieferes Verständnis der Wirkmechanismen zu erlangen und damit die Entwicklung von Rupturrisikomodellen zu unterstützen.

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Abbildung: Schnitt durch ein Aneurysma und Verlauf der Wandspannung sowie innenliegende, geschwindigkeitskodierte Stromlinien.

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.

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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

Im Rahmen des DFG Graduiertenkollegs GRK 1554: „Mikro-Makro-Wechselwirkungen von strukturierten Medien und Partikelsystemen“

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.

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Abbildung: Schematischer Aufbau der Versuchsanlage zur Untersuchung des Einflusses von Additiven auf den Druckverlust in der Kanalströmung.

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Abbildung: Druckverlustminderung als Funktion der Reynolds-Zahl für Xanthan.

 

Letzte Änderung: 07.10.2020 - Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. habil. Dominique Thevenin