Simulation und Modellbildung der Strömung im linken Ventrikel des menschlichen Herzens als Grundlage zur Therapieplanung bei terminaler Herzinsuffizienz
Final Report Abstract
Im Validierungsexperiment wurde aus den MRT-Daten ein Silikonventrikel hergestellt und im Versuchsstand mittels PIV-Messungen die Strömung hochauflösend dreidimensional vermessen. Der zunächst in enddiastolischer Form hergestellte Silikonventrikel verformte sich zufällig und realitätsfern in der Austreibungsphase durch äußeren Überdruck. Deshalb wurde in der Folge ein endsystolischer Silikonventrikel gefertigt, welcher im Versuchstand durch Unterdruck auf enddiastolische Form gedehnt und damit gefüllt wurde. Durch Überdruck konnte die anschließende Austreibungsphase realistisch nachgebildet werden. Ein- und Auslass wurden jeweils mit einer biologischen Herzklappenprothese (Edwards Perimount) versehen. Aus den PIV-Messungen wurde die exakte Geometrie des Silikonventrikels segmentiert und daraus analog zu obig Beschriebenem die numerische Simulation durchgeführt. Das durchgeführte Validierungsexperiment zeigt gute Übereinstimmung von Messung und numerischer Simulation. Die Abweichungen der Absolutgeschwindigkeiten liegen insbesondere während der Diastole im Bereich der berechneten Unsicherheiten. Während Diastole und Systole wird hinreichende Übereinstimmung der Strömungstopologie zwischen Messung und Simulation beobachtet. Absolutwerte der Strömungsgeschwindigkeit weichen nicht maßgeblich von den gemessenen Werten ab. Die Qualität der Strömungssimulation kann damit als sehr aussagekräftig bewertet werden. Ungenauigkeiten und Differenzen traten durch das verwendete, zweidimensionale Herzklappenmodell in der Simulation auf, was zu leicht veränderten Strömungsprofilen im Nachlauf der simulierten Klappe führte. Zukünftig wird durch Verfeinerung des Modells eine sehr gute Übereinstimmung zur Realität erreicht werden können. Aufgrund der gebogenen Zuläufe zum Vorhof entstand eine Sekundärströmung, welche in den Ventrikel transportiert wird. Deren Erfassung ist meßtechnisch nicht möglich und kann daher auch nicht im Simulationsmodell implementiert werden. Im Antrag wurden zur Messung der Strömungsprofile die Methoden PIV und LDA vorgeschlagen. Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten erwies sich die Methode PIV als wesentlich Leistungsfähiger und effizienter, um das komplette Volumen des linken Ventrikels und gleichzeitig des Vorhofes zu Vermessen und die Wandkontur aus den Meßdaten zu generieren. Hinsichtlich der Genauigkeit der beiden Methoden wurden sowohl an der Fachhochschule München als auch von anderen Gruppen vielfältige Vergleichsmessungen zwischen PIV und LDA durchgeführt. Die Unschärfe der gemessenen Geschwindigkeit mittels PIV verglichen mit LDA wird in der durchgeführten Messung mit 1,5% abgeschätzt. Die durchgeführten Experimente zeigen nach Abgleich mit in vivo Strömungsdaten (Ultraschall), daß sich der entwickelte Versuchstand für die experimentelle Validierung von Strömungsvorgängen in der Herzkammer sehr gut eignet. Das Pumpprinzip basiert auf Unterdruck, mit dem der flexible Modellventrikel aus seiner ursprünglichen, endsystolischen in die enddiastolische Größe aufgebläht wird. Durch Druck wird der Modellventrikel in der Systole auf sein ursprüngliches Volumen zusammengedrückt und Fluid ausgeworfen. Mit dieser Technik wird ein gleichförmiges Aufweiten des Modellventrikels erreicht. Volumen- und Geometrieänderung sind größtenteils identisch der physiologischen Bewegung und können damit näherungsweise zur Validierung der numerischen Simulation herangezogen werden. Die durchgeführten Strömungsmessungen zeigen gute Übereinstimmung mit der physiologischen Strömung. Aufgrund der im Vakuum-Bereich limitierten Leistung der verwendeten Hydraulikpumpe konnten am Versuchstand bislang nur eingeschränkt unterschiedliche Kreislaufzustände eingestellt werden. Um eine präzise Validierung der Simulation KaHMo zu erreichen, soll in der weiteren Forschungsarbeit ein pathologisch veränderter Ventrikel mit Vorhof mittels hochauflösender Lasermesstechnik untersucht werden. Zur Validierung des O-Parameters und zur Beurteilung der Durchspülung des Ventrikels sollen darüber hinaus am neuen Versuchstand Messungen mit Thermodilutionsverfahren durchgeführt werden. Die Ergebnisse können die bereits durchgeführten Messungen bestätigen und insbesondere Unschärfen am bisherigen Versuchsaufbau eliminieren. Um vielfältige Kreislaufzustände abzudecken, soll die Druckkammer sowie die eingesetzte Hydraulikpumpe am Versuchstand modifiziert werden. Zur Aufnahme der Kurzachsenschnitte soll der verbesserte Versuchstand eine Beobachtungsmöglichkeit parallel zur Mitralklappenebene ermöglichen. Dies verbessert die Qualität der Segmentierung erheblich, die Unschärfe kann damit von derzeit etwa 21 % auf < 12 % reduziert werden.
Publications
- Computational simulation of blood flow in the human left ventricle. 5th World Congress of Biomechanics, Munich 2006
Schiller W, Schmid T, Spiegel K, Donisi S, Probst C, Kovacz A, Flacke S, Liepsch D, Oertel H
- Numerical Simulation of pulsatile blood flow in the human left ventricle. 36. Annual Meeting of the German Society for Thoracic and Cardiovascular Surgery, Hamburg 2007, Abstract: Thorc Cardiov Surg 2007, Vol. 55, S1 , Feb. 2007, S103
Schiller W, Spiegel K, Schmid T, Rudorf H, Flacke S, Probst C, Kovacs A, Schenkel T, Welz A, Oertel H, Liepsch D
- Numerical Simulation of the Left Ventricle and Atrium as Reference for Pathological Hearts. 5th IASTED International Conference on Biomechanics, Honolulu, Hawaii 2007, Proceeding: ISATED Biomechanics, Vol.5 S.78-93, ISBN:978-0-88986-683-6
Spiegel K,Schiller W, Schmid T, Welz A, Liepsch D, Oertel H
- Numerical flow simulation of the left heart as basis for operation planning for left ventricular repair procedures. 5th Joint Meeting German, Austrian and Swiss Societies for Thoracic and Cardiovascular Surgery, Innsbruck 2008, Abstract: Thorc Cardiov Surg 2008, Vol. 56, S1 , Feb. 2008, S37
Rudorf H, Spiegel K, Schmid T, Probst C, Flacke S, Kovacs A, Liepsch D, Oertel H, Welz A, Schiller W
