Kurzfassung

Ziel des Projektes ist die Untersuchung von Kontrastmittel- und Kontrastgas-Strömungen mittels Methoden der Computational Fluid Dynamics (CFD), die es erlauben, das Flussverhalten unterschiedlicher Fluide unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen. Methoden des „High Performance Computing“ auf schnellen Hochleistungscomputern sollen zukünftig die Rechenzeiten von derzeit mehreren Wochen innerhalb kürzerer Zeit und für komplexe Geometrien erlauben.
Zum einen werden CFD-Simulationen zur...Ziel des Projektes ist die Untersuchung von Kontrastmittel- und Kontrastgas-Strömungen mittels Methoden der Computational Fluid Dynamics (CFD), die es erlauben, das Flussverhalten unterschiedlicher Fluide unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen. Methoden des „High Performance Computing“ auf schnellen Hochleistungscomputern sollen zukünftig die Rechenzeiten von derzeit mehreren Wochen innerhalb kürzerer Zeit und für komplexe Geometrien erlauben.
Zum einen werden CFD-Simulationen zur Untersuchung der Dispersion (Verformung) eines Kontrastmittel-Bolus in Koronargefäß-Modellen durchgeführt. Bei der MR-Herzperfusionsmessung wird in der klinischen Routine ein Kontrastmittel-Bolus in die Armvene injiziert und der resultierende Signal-Zeit-Verlauf zunächst im linken Ventrikel und anschließend im Herzmuskel gemessen. Über die Auswertung der Daten kann anschließend der Myokardiale Blutfluss (MBF) und aus dem Quotient des MBF-Wertes von Messungen unter pharmakologisch induziertem Stress und Ruhe die Myokardiale Perfusionsreserve (MPR) ermittelt werden, um den Gesundheitszustand der einzelnen Gewebe-Bereiche zu charakterisieren. In der Theorie sollte der Kontrastmittel-Bolus bei einer Perfusionsmessung jedoch in einem dem Gewebe nächstgelegenen versorgenden Gefäß und im Gewebe selbst gemessen werden, was in der klinischen Routine bei der Herzperfusionsmessung allerdings aufgrund der Herzkontraktion, der Atembewegung und des relativ kleinen Durchmessers der Koronargefäße nicht möglich ist. Dies kann zu einer Fehleinschätzung des MBF-Wertes führen, da der Kontrastmittel-Bolus auf dem Weg vom linken Ventrikel zu den peripheren Koronargefäßen dispergieren kann. Aus diesem Grund soll mit Hilfe der hier durchgeführten CFD-Simulationen die Dispersion des Kontrastmittel-Bolus abgeschätzt werden, um diese bei der Blutflussquantifizierung gegebenenfalls berücksichtigen zu können. In der Vergangenheit wurden von Graafen et al. solche Simulationen bereits für den Fall vereinfachter zylinderförmiger Koronargefäß-Modelle realisiert. Hierbei wurden sowohl Simulationen für einen konstanten Fluss (1), als auch für einen pulsatilen Blutfluss (2) jeweils für gesunde und stenosierte Koronargefäße durchgeführt. Insgesamt konnte hierbei eine Unterschätzung des MBF-Wertes und eine Überschätzung des MPR-Wertes durch Vernachlässigung der Dispersion nachgewiesen werden. Für die Erstellung und Vernetzung der Geometrien wurde die Software Gambit (Gambit 2, ANSYS Germany GmbH, Darmstadt, Germany) und für die Durchführung der Simulationen die Software FLUENT (FLUENT 6, ANSYS Germany GmbH, Darmstadt, Germany) verwendet. Momentan werden für eine zusätzliche Verbesserung der Abschätzung der Bolus-Dispersion Simulationen an Gefäß-Bifurkationen und an aus MRT- und CT-Datensätzen rekonstruierten Koronargefäß-Modellen geplant und durchgeführt. Hierbei sollen die Simulations-Einstellungen systematisch weiterentwickelt und optimiert werden, z.B. durch Berücksichtigung der Gefäßwand-Bewegung, Verwendung patientenspezifischer Geschwindigkeits¬profile als Randbedingungen etc., um die Simulationsbedingungen noch realistischer zu gestalten.
In einem weiteren Projekt soll der Einfluss von Beatmungsparametern während der Hochfrequenzbeatmung (kurz: HFOV) untersucht werden. Hochfrequenzbeatmung wird vorrangig bei Patienten angewendet, die am sogenannten akuten progressiven Lungenversagen (kurz: ARDS) leiden. Die bereits durch die Krankheit belastete Lunge ist durch die zusätzliche mechanische Beatmung erhöhtem Stress ausgesetzt und kann weiter geschädigt werden. Eine optimale Anpassung der Beatmungsparameter kann diese zusätzlichen Schädigungen verringern und so zu einer schnelleren Genesung beitragen. Bisher gibt es keine einschlägigen Untersuchungsmethoden, die den Einfluss von Beatmungsparametern wie Beatmungsfrequenz, Atemwegsmitteldruck, Inspirations-Expirations-Verhältnis oder Druckoszillationsamplitude nicht-invasiv ermitteln und beurteilen können. Mittels Phasenkontrast-MRT kann die Geschwindigkeit von einem Kontrastgas in den großen Atemwegen räumlich und zeitlich aufgelöst werden. Die so erhaltene Information über die Geschwindigkeitsverteilung kann wiederum in CFD-Simulationen mit der Software OpenFoam (OpenFoam, OpenCFD Ltd. (SGI), Winnersh,UK) in den Randbedingungen verarbeitet werden. Auf diesem Wege kann der Einfluss der verschiedenen Beatmungsparameter auf die Gasverteilung auch in tiefergelegenen Atemwegen analysiert werden. Zusätzlich erlauben CFD-Simulationen die Lokalisation und Beobachtung von auftretenden Turbulenzen und tragen so zur weiteren Aufklärung über die Gastransportmechanismen während der Hochfrequenzbeatmung bei.
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