Numerische Simulationen zur Vorbeugung und Behandlung von Herz-Kreislauf- Erkrankungen
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- Elvira Albrecht
- vor 8 Jahren
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1 Numersche Smulatonen zur Vorbeugung und Behandlung von Herz-Kreslauf- Erkrankungen Dr.rer.medc Dpl.-Phys. Tm A.S. Kaufmann Cardovascular Engneerng, Appled Medcal Engneerng
2 Klnscher Hntergrund Herz-Kreslauf-Erkrankungen (HKE) snd de häufgste Todesursache n hoch-technologserten Ländern Vele deser Tode können verhndert werden Lebensqualtät der Patenten erhöhen Todesrate von HKE n ncht-entwckelten Ländern sogar noch höher Bespel Herznsuffzenz Medkamentöse Behandlung Herz-Unterstützungs-Systeme Demographsche Entwcklung Erhöhte Nachfrage an bomedznschen Produkten Neue Anforderungen an Produkte [Slaughter009] Notwendgket / Potental für Forschung und Entwcklung
3 Enletung Menschlche Körper als komplexes System Komplexe (oft unbekannte) Zusammenhänge Ethsche Verpflchtung zur Vorscht Velfältge Methoden Klnsche Studen Terexpermente Expermentelle Studen Partcle Image Velocmetry (PIV) Mock Crculaton Loops (MCL) Blutversuche Numersche Smulatonen 3
4 Enletung Aufbau ener Herz-Lungen-Maschne Kanülerung Pumpe Kardoreservor Wärmetauscher Oxygenator 4
5 Enletung Blut als Strömungsmedum Egenschaften enes Organs Ncht-Newtonsches Fleßverhalten Korpuskuläre Antele Blutschädgung (Hämolyse) Sauerstofftransport (Erythrozyten) Thrombenbldung (Thrombozyten) Lösungsansätze Kontnuerlches, Newtonsches Flud Kontnuerlches, ncht-newtonsches Flud Mehrphasenmodell 5
6 Überscht Pumpen Blutpumpen Rotatorsche Pumpen (RPB) Hydraulsche Egenschaften Hämolyse (Blutschädgung) Total Artfcal Heart ( Kunstherz ) Oxygenatoren Oxygenatoren Strömungsoptmerung Stoffaustausch (O, CO ) Herzklappen FEM, CFD, FSI Thrombogenserung Kanülerung Interakton / Physologsche Kontrolle Embolen Herzklappen Kanülerung 6
7 Überscht Pumpen Blutpumpen Rotatorsche Pumpen (RPB) Hydraulsche Egenschaften Hämolyse (Blutschädgung) Total Artfcal Heart ( Kunstherz ) Oxygenatoren Strömungsoptmerung Stoffaustausch (O, CO ) Herzklappen FEM, CFD, FSI Thrombogenserung Kanülerung Interakton / Physologsche Kontrolle Embolen 7
8 Blutpumpen: RPB CAD, Pro/E Wldfre 5.0, Parametrc Technology Corporaton (PTC) Hybrd Meshng, ICEM CFD, ANSYS Europe Ltd. Smulaton Valderung Solver, CFX 13.0, ANSYS Europe Ltd. 8
9 Randbedngungen Inlet flow Outlet pressure RPM Turbulenzmodell Blutmodell RPB: Modellerung Numercal model 0 mm Hg L/mn Turbulenz RANS (SST) 110 mm Hg 400 rpm Blutmodell für RBPs Kontnuerlches Flud Newtonsches Fleßverhalten L/mn 9
10 RPB: Auswertung Strömungsprofle und -raten Druckaufbau Effzenz Rotordesgn Kräfte Lagerungsdesgn 0.1N Hämolyse 10
11 Hämolyse #1 Euler Ansatz Globaler Beobachter Defnton von krtschen Volumen Verweldauer von Erythrozyten n desen Volumen V D crtcal V V K v v, ( V ) / v t t V crtcal crtcal V doman V t K,v,t Volume equvalent stress exposure tme free parameters 11
12 Hämolyse # Lagrange Ansatz Mtwandernder Beobachter Partcle tracks n CFD Addton der Scherbelastung für verschedene Partkelpfade D D K total, n t v v D t, n equvalent stress t exposure tme K,v,t free parameters 1
13 Blutpumpen: TAH FEM Membranknematk Materal, Verformung, Dauerfestgket Ausdehnung der Pumpkammer Verschleß der Motorfedern Auswaschung der Pumpkammer Flud-Structure-Interacton Membran Herzklappen Valderung Partcle Image Velocmetry Materalprüfung Dauertests 13
14 Überscht Blutpumpen Rotatorsche Pumpen (RPB) Hydraulsche Egenschaften Hämolyse (Blutschädgung) Total Artfcal Heart ( Kunstherz ) Oxygenatoren Oxygenatoren Strömungsoptmerung Stoffaustausch (O, CO ) Herzklappen FEM, CFD, FSI Thrombogenserung Kanülerung Interakton / Physologsche Kontrolle Embolen 14
15 Modul-Smulatonen Anschlüsse Wärmetauscher Bläschenfalle Oxygenator Massentransport Desgnoptmerung Oxygenatoren 15, 1 1 PO SO D D O Plasma O total PCO C α + PCO C α D + D = D CO CO CO CO HCO CO CO total,
16 Volume flow [ml/h] Vaslef et al. CFD In vtro Volume flow [ml/h] Svtek et al. CFD In vtro Oxygenatoren Valderung der Oxygenatorsmulatonen Faseranordnung Isotrop/Ansotrop Poröstät Separate Netze statt porösem Medum Verglech der Gasaustauschraten O 50 CO ml/h 80 ml/h 100 ml/h Flud flow rate 0 60 ml/h 80 ml/h 100 ml/h Flud flow rate 16
17 Überscht Blutpumpen Rotatorsche Pumpen (RPB) Hydraulsche Egenschaften Hämolyse (Blutschädgung) Total Artfcal Heart ( Kunstherz ) Oxygenatoren Strömungsoptmerung Stoffaustausch (O, CO ) Herzklappen FEM, CFD, FSI Thrombogenserung Herzklappen Kanülerung Interakton / Physologsche Kontrolle Embolen 17
18 Herzklappen FEM Klappen Segelknematk, Schleßverhalten Stents Stabltät, Crmpng CFD (FSI) Kopplung zu expermentellen Daten Thrombogenserung Valderung Druckmessungen Partcle Image Velocmetry Thrombosetester 18
19 Überscht Blutpumpen Rotatorsche Pumpen (RPB) Hydraulsche Egenschaften Hämolyse (Blutschädgung) Total Artfcal Heart ( Kunstherz ) Oxygenatoren Strömungsoptmerung Stoffaustausch (O, CO ) Herzklappen FEM, CFD, FSI Thrombogenserung Kanülerung Interakton / Physologsche Kontrolle Embolen Kanülerung 19
20 Kanülerung Erste Kanülerungssmulatonen Modellerstellung aus MRI/CT Daten Strömungssmulaton für Ausflussund Dranagekanülen Kanülenposton Inlet Strömungsprofl Zerebraler Blutfluss Wandschubspannung Aktuelle Smulatonen Wndkessel-Funkton Embolen Autoregulaton 0
21 Kanülerung Wndkessel-Funkton 5 Erste FSI Smulatonen mt verenfachten Materalmodellen 6-Parameter Mooney-Rvln hyperelastsches Materalmodell 0 mm Embolen Partcle tracks Kanülenposton und -ausrchtung Partkelgröße und -dchte Schlaganfall / Herznfarkt 1
22 Systemsche Autoregulaton Autoregulaton Druckverlust durch systemschen Wderstand (Darcy-Wesbach) 1 n P L U n Flussabhängger normerter Massenstrom m m m m act, phys, L n a a m a m 0, 1,,... an, m n Modellerung des flussabhänggen vaskulären Wderstands 0 P 80mmHg
23 Zerebrale Autoregulaton CBF actual = l reg *( CPP actual CPP deal ) 3 CBF deal Acceptable CBF Crtcal closng pressure 3
24 Zerebrale Autoregulaton CBF actual = l reg *( CPP actual CPP deal ) 3 CBF deal Baselne 4
25 Partcle Image Velocmetry Valderung mt PIV CAD Physkalsches Modell Slkon- Negatv PIV Analyse 5
26 Partcle Image Velocmetry Valderung mt PIV CFD PIV Abwechung <10% 6
27 Mock Crculaton Loop Valderung mt MCL Schema CAD Mock Crculaton Loop Randbedngungen müssen überenstmmen Physologsche Bedngungen Qualtatver Verglech möglch 7
28 Zusammenfassung Herz-Kreslauf-Erkrankungen (HKE) snd de häufgste Todesursache n hochtechnologserten Ländern De Relevanz bomedznscher Forschung st evdent Numersche Smulatonen snd essenteller Bestandtel bomedznscher Forschung Optmerung und Entwcklung medznscher Geräte Blutpumpen, Herzklappen, Oxygenatoren, Smulaton von Blutflüssen und -Drücken Analyse der Blutschädgung und Thrombogenserung Berechnung des Gasaustausches und Partkelverhaltens Valderung von numerschen Smulatonen zwngend nötg 8
29 Kontakt Dr.rer.medc Dpl.-Phys. Tm A.S. Kaufmann Pauwelsstraße Aachen Tel.: Fax.: Emal: kaufmann@ha.rwth-aachen.de 9
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