Untersuchung von Strömung, Gefäßgeometrie und Atherosklerose in menschlichen Koronarien
Final Report Abstract
Strömungsmechanische Einwirkungen auf die Gefäßwand und insbesondere Wandschubspannungen (WSS) haben einen entscheidenen Einfluss auf die Verteilungsmuster atherosklerotischer Gefäßveränderungen sowie auf die Anpassung und den Umbau der Gefäßwand. Deshalb ist die Erforschung und Quantifizierung des Zusammenhangs zwischen Gefäßgeometrie, Strömung und Atherosklerose der Koronarien erforderlich, um potenzielle Risikofaktoren zu bestimmen. Die Grundlage für solche Untersuchungen ist die Validierung der numerischen Strömungsberechnungen sowie die Etablierung eines numerischen Modells zur Berechnung der Koronarströmung. Dies war das Hauptziel der Untersuchungen während der ersten zwei Jahre des DFG-Projektes. Die Validierung der Strömungsberechnungen mit dem Programm FLUENT erfolgte an zwei 2,5-fach vergrößerten Silikonmodellen der linken Koronararterie durch einen Vergleich mit Laser-Doppler-Velocimetry Messungen. Während der ersten Förderperiode wurden folgende Arbeiten durchgeführt: • Analytische Überlegungen zur Auswirkung der Pulsatilität auf die Koronarströmung. Experimentelle Untersuchungen des Geschwindigkeitsprofils am Koronareingang mit Particle-Imaging-Velocimetry (PIV). Diese Experimente zeigten vom parabolischen oder rechteckigen Geschwindigkeitsprofil stark abweichende Profile. Anschließend wurde eine Literaturrecherche zu verschiedenen nicht-Newtonschen Blutmodellen durchgeführt. Ein weiterer Schwerpunkt der ersten Förderperiode lag bei der Untersuchung zur Auswirkung der geometrischen Vereinfachungen auf die SD-Rekonstruktion von Koronarien und auf die Charakterisierung der Koronarien mittels WSS-Histogramme. Diese Arbeiten basierten auf biplanare Angiogramme. Ein vereinfachtes Verfahren wurde zur Rekonstruktion von Koronarien ausgearbeitet. Die Untersuchungen während der zweiten Förderperiode zur Auswirkung von Computertomographie (CT) bzw. Magnetresonanztomographie (MRI) auf die SD-Rekonstruktion und die Auswirkung der geometrischen Abweichungen auf die Berechnung von WSS haben gezeigt, dass beide Verfahren sich zu klinischen Studien von relevanten hämodynamischen Parameter in menschlichen Koronarien eignen. Die Rekonstruktionsfehler beider Verfahren lagen im Bereich der Voxelgröße. Allerdings war der Fehler des CT- Verfahrens 2,5-fach höher als bei MRT. Für die Berechnung der globalen hämodynamischen Parameter (z.B. mittlere WSS) ist eine genaue Erfassung des Eingangsgeschwindigkeitsprofils - was eine Rekonstruktion der Koronarie-Aortenwurzel-Geometrie erfordert - nicht erforderlich. Für Vergleichsuntersuchungen zwischen Gefäßwandveränderungen und hämodynamischen Parameter ist die Erfassung dieses Geometriesystems von Bedeutung. Dies gilt besonders für Koronarien mit längeren Segmenten der „main left artery" (MLA) und großen Winkel zwischen MLA und Aortenwurzel. Die Untersuchungen zur Auswirkung des nicht-Newtonschen Blutmodells haben gezeigt, dass GPL („generalised power law") Modell ist am besten geeignet, um die nicht-Newtonschen Bluteigenschaften nachzuahmen. Dies ist insbesondere wichtig für die Modellierung der Abflachung von Zähigkeitskurven im Bereich sehr niedriger Scherraten (< l s-1). Der Einfluss von nicht-Newtonschen Bluteigenschaften kann in klinischen Studien mit gesunden und mit normalen atherosklerotisch erkrankten (verengten) Herzkranzgefäßen vernachlässigt werden. In den dilatierenden (erweiterten) Gefäßen muss dagegen das nicht-Newtonsches Blutmodell berücksichtigt werden. Dazu wurde ein adptiertes GPL Modell mit veränderlichen Paramtern, die von Hamatokrit, Temperatur und TPMA („total protein minus albumin") Gehalt abhängen, erarbeitet. Normierte WSS-Histogramme besitzen das Potenzial, eine Methode zum Vergleichen der WSS in verschiedenen Patientengruppen zu sein.
Publications
- 13. Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmechanik 2005, Cottbus, Vortrag: Validierung der numerischen Berechnungen durch LDA-M essungen in Koronargefäßen
Goubergrits, Leonid
- Modelling Physiological Flows 2005, Sesimbra/Portugal, Vortrag: Modelling of the flow in coronaries on the basis of biplane angiograms: influence of geometry reconstruction
Goubergrits, Leonid
- Validierung der numerischen Berechnungen durch LDA-Messungen in Koronargefäßen. In: C. Egbers et al. (Eds.): Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik. 13. Fachtagung, Cottbus: 2005, pp. 54-1 - 8
Goubergrits L, P.O. Bartz, Ch.N. Nayeri, C.O. Paschereit, U. Kertzscher and K. Affeld
- 5th World Congress of Biomechanics 2006, München/Deutschland, Poster: Validation of the numerical coronary flow simulation through LDA-measurements
Goubergrits, Leonid
- 5th World Congress of Biomechanics 2006, München/Deutschland, Poster: Wall shear stress profiling of the coronary flow: Choosing a parameter of flow characterization
Goubergrits, Leonid
- Impact of geometric simplifications on 3D reconstruction and wall shear stress by in-vivo coronary flow profiling. Biomedical Engineering OnLine Journal: 2006 Jun 14; 5(1):39
Wellnhofer E, Goubergrits L, Kertzscher U, Affeld K
- World Congress of Cardiology 2006, Barcelona/Spain, Vortrag: Normalized shear stress distribution by flow simulation studies in 3D-reconstructed coronary arteries - a nondimensional similarity approach
Goubergrits, Leonid
- 73. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Kardiologie - Herz- und Kreislaufforschung 2007, Mannheim/Deutschland, Vortrag: Normalisierte Verteilung der Wandschubspannung aus Flusssimulauonsstudien in 3D-rekonstruierten Koronar arterien - non-dimensional similarity approach
Goubergrits, Leonid
