Numerische Simulation von Naseninnenströmungen mit dem Lattice-Boltzmann Verfahren
Final Report Abstract
Das vorliegende Projekt ist ein Teil eines interdisziplinären Forschungsprojektes zwischen Medizin, Ingenieurwissenschaften und Informatik mit dem übergeordnetem Ziel der Entwicklung eines Softwarekonzeptes zur Unterstützung der Rhinochirurgie bei der Planung und Ausführung von Operationen in den Nasenwegen, bekannt unter dem Begriff ,,computer aided (rhino-)surgery”. Ein wesentlicher Bestandteil dieses Konzeptes ist die Berechnung der Strömungs- und Transportvorgänge in der menschlichen Nase. Aufgabe dieses Vorhabens ist die Simulation der Strömungvorgänge durch die menschliche Nasenhaupthöhle unter Verwendung von Lattice-Boltzmann–Methoden. Der Schwera punkt liegt hierbei hauptsächlich auf der Entwicklung, der Validierung und der Bereitstellung von Methoden, die später im klinischen Betrieb zum Einsatz kommen sollen. Unter diesem Aspekt wurden Strömungssimulationen an Hand realitätsnaher, entsprechend komplexer Modellgeometrien der menschlichen Nase durchgeführt, für die z.T. experimentelle und numerische Vergleichsergebnisse zur Verfügung standen. Die erzielten Resultate weisen gute Übereinstimmung mit parallel durchgefÜhrten Untersuchungen des Aachener Nasenprojektes auf und bestätigten die Eignung des hier entwickelten Integrationsverfahrens. Zur Strömungssimulation wurde eine Lattice-Boltzmann-Methode, speziell die Lattice-BGK (LBGK-) Methode, genutzt. Diese gaskinetische Methode approximiert die Navier-Stokes-Gleichungen eines inkompressiblen, reibungsbehafteten Fluides mit einer Genauigkeit von zweiter Ordnung in Ort und Zeit und sie zeichnet sich durch einen relativ einfachen, granularen Algorithmus aus, der hohe Rechengeschwindigkeit und gute Parallelisierbarkeit erlaubt. Dem gegenüber steht die Beschränkung auf kartesisch-äquidistante Rechengitter, die jedoch durch die Entwicklung lokaler Gitterverfeinerung auf Octree-Gittern und durch Randformulierungen höherer Ordnung im wesentlichen kompensiert werden konnte. Neben verschiedenen Validierungsrechnungen wurden stationäre und instationäre Strömungsrechnungen durch die Nasengeometrie durchgeführt. Problematisch für die Simulationen ist die Formulierung der Randbedingungen, die wesentlich von der Interaktion der Luftströmung mit der Nasenschleimhaut bestimmt wird. Neben der reinen Strömungsberechnung mittels LBGK-Methode wurden weitere Transportmodelle realisiert, um die Klimatisierungs- und die Filterfunktionalität der Nase zu erfassen. Modelle und Lösungsmethoden wurden sowohl für den Wärme- und Wasserdampftransport als auch für Transport und die Deposition von Partikeln im Nasenraum entwickelt. Vergleichsergebnisse, insbesondere aus klinischen Studien, stehen für diese Transportprozesse jedoch weiterhin aus. Für den vorgesehenen klinischen Einsatz ist es notwendig, die einzelnen Anteile der Prozesskette von einer computertomografischen Aufnahme bis hin zur Strömungslösung in einem geschlossenen Softwarepaket zu integrieren. Hierzu wurde im Rahmen dieses Vorhabens eine Software-Plattform entwickelt, in der alle Entwicklungen mit Hilfe eines modularen Ansatzes in eine einzige Benutzeroberfläche integriert werden können. Die Vision der Operationsplanung am Computer (,,computer aided surgery”, CAS), hier für die HNO-Medizin unter Zuhilfenahme der Strömungssimulation, erscheint auf Grund bisheriger Arbeiten in naher Zukunftmöglich zu werden. Besonders zeitkritisch stellt sich jedoch der Iterationszyklus aus Berechnung, Geometrieänderung und Neuberechnung dar und benötigt nach jetzigem Stand noch die Kapazität von Hochleistungsrechnern.
Publications
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Simulations of Nasal Flow. Conf. on Modeling Fluid Flow (CMFF06), Budapest, Ungarn, Sept. 6-9,(2006)
M. Finck, D. Hänel
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Simulation of Nasal Flow by Lattice Boltzmann Methods. Computers in Biology and Medicine, vol. 37, pp. 739-749, (2007)
M. Finck, D. Hänel, I. Wlokas
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Simulation von Naseninnenströmungen mit Lattice-BGK Methoden. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, (2007)
M. Finck
