| License: Publishing license for publications excluding print on demand (2MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-272130
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.27213
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 18 January 2013 |
| Referee: | PD Dr. Karl-Michael Schebesch |
| Date of exam: | 4 December 2012 |
| Institutions: | Medicine > Lehrstuhl für Neurochirurgie |
| Keywords: | Aneurysma, CFD-Simulation, A. basilaris, Hitzdrahtanemometrie, aneurysm, basilar artery, hot-wire anemometry |
| Dewey Decimal Classification: | 600 Technology > 610 Medical sciences Medicine |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 27213 |
Abstract (German)
Die Subarachnoidalblutung (SAB) ist ein sehr schwerwiegendes Krankheitsbild mit erstzunehmenden gesellschaftlichen und ökonomischen Folgen. Trotz Verbesserungen in Diagnostik und Therapie ist die Prognose nach wie vor schlecht. Die häufigste Ursache einer SAB stellen rupturierte zerebrale Aneurysmen dar. Von vorbestehenden zerebralen Aneurysmen rupturieren allerdings nur wenige, da die Prävalenz ...
Abstract (German)
Die Subarachnoidalblutung (SAB) ist ein sehr schwerwiegendes Krankheitsbild mit erstzunehmenden gesellschaftlichen und ökonomischen Folgen. Trotz Verbesserungen in Diagnostik und Therapie ist die Prognose nach wie vor schlecht. Die häufigste Ursache einer SAB stellen rupturierte zerebrale Aneurysmen dar. Von vorbestehenden zerebralen Aneurysmen rupturieren allerdings nur wenige, da die Prävalenz zerebraler Aneurysmen gemäß Autopsiestudien relativ hoch ist. Die Pathogenese zerebraler Aneurysmen ist zu großen Teilen noch ungeklärt. Die Hämodynamik scheint eine entscheidende Rolle sowohl im Entstehungsprozess, als auch für die Ruptur zerebraler Aneurysmen zu spielen. Der Wandschubspannung (WSS), einer kleinen Tangentialkraft an der Gefäßwand, wird unter den hämodynamischen Parametern eine besondere Bedeutung zugeschrieben. Zur Untersuchung fluiddynamischer Phänomene wird in zunehmendem Maß auf sog. CFD–Computersimulationen (Computational Fluid Dynamics) zurückgegriffen. Am Universitätsklinikum Regensburg hatte man die einzigartige Möglichkeit, die Entstehung eines „de novo“ Basilarisaneurysmas zu beobachten. Eine im Anschluss daran durchgeführte CFD–Simulation mit einem Blutmodell zeigte, dass dieses Aneurysma am Ort konstant niedriger WSS entstand.
Solche Simulationen unterliegen jedoch immer gewissen Einschränkungen und eine Validierung durch ein in vitro Experiment sollte immer der nächste Schritt sein. An der Fachhochschule Regensburg (Labor Windkanal/Strömungsmesstechnik; Leitung: Prof. Lämmlein S.) wurden in Zusammenarbeit mit der Klinik für Neurochirurgie (Leitung: Prof. Brawanski A.) bereits Vorversuche an idealisierten Glasmodellen durchgeführt und anschließend mit guter Übereinstimmung mit einer CFD–Simulation verglichen. Basierend auf diesen Grundlagen wurde im Rahmen dieser Dissertation ein realistisches, vergrößertes Modell der noch innocenten A. basilaris aus o.g. Fall mit Rapid prototyping gefertigt. Als nächster Schritt wurde dieses in den vorhandenen Versuchsstand eingebracht und mit Wasser stationär perfundiert. Mit Hilfe der Hitzdrahtanemometrie wurden Geschwindigkeitsprofile gemessen. Es wurde dabei versucht die Messgerade so zu legen, dass diese sich auf Höhe des später ausgebildeten Aneurysmas befand. Die gemessenen Geschwindigkeitsprofile wurden mit den Ergebnissen aus CFD–Simulationen mit dem k–epsilon Turbulenzmodell und newtonschem Medium verglichen.
Für physiologische Reynolds-Zahlen (Re) zeigten sich gute qualitative und akzeptable quantitative Übereinstimmungen. Bei höheren Re kam es allerdings zu starken Abweichungen von Simulation und Messung. Es ist anzunehmen, dass diese Abweichungen durch Störungen im Versuchskreislauf, welche sich insbesondere bei höheren Durchflüssen bemerkbar machen, verursacht wurden.
Vergleicht man die Versuche mit am selben Modell durchgeführten CFD-Simulationen mit Blut als Medium, zeigten die in dieser Dissertation durchgeführten Experimente keine niedrigen WSS auf der posterioren Seite des Basilariskopfes. Die gemessenen Geschwindigkeiten waren im Gegensatz zur anterioren Seite sogar relativ hoch. Eine experimentelle Validierung von realitätsnahen CFD–Simulationen scheint in diesem Setting schwer realisierbar, daher ist es unabdingbar den Versuchskreislauf weiter zu verbessern. Außerdem haben optische Messverfahren (PIV, LDV) insbesondere aufgrund ihrer nicht–Invasivität für in vitro Versuche klare Vorzüge gegenüber der Messtechnik Hitzdrahtanemometrie.
Nach wie vor ungeklärt sind die genauen Auswirkungen von Vereinfachungen (Fluid, Wandeigenschaften, Randbedingungen), welche für die CFD und in vitro Versuche getroffen werden müssen. Der Einfluss anderer Faktoren wie z.B. der Aneurysmaumgebung ist ebenfalls noch ungeklärt und kann in Simulationen schwer berücksichtigt werden. Es muss deshalb eine Weiterentwicklung der Methodik erfolgen um realistische Aussagen über Strömungen in Arterien und Aneurysmen treffen zu können. Um schließlich Einzug in den klinischen Alltag finden zu können, wird ein Abgleich mit in vivo Bedingungen sowie eine Evaluation in großen multizentrischen Studien unabdingbar sein. Werden diese Anforderungen hinreichend erfüllt, könnte die CFD zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Vorhersage und Risikobeurteilung von zerebralen Aneurysmen oder zur Evaluation von therapeutischen Möglichkeiten werden.
Translation of the abstract (English)
The subarachnoid hemorrhage (SAH) is a severe disease with serious social and economic consequences. Despite improvements in diagnosis and treatment the prognosis still remains dissatisfied and the hemorrhage leads to a very high mortality and morbidity. The main causes of a SAH are ruptured cerebral aneurysms. The prevalence of aneurysms is according to autopsy studies quite high, however, only ...
Translation of the abstract (English)
The subarachnoid hemorrhage (SAH) is a severe disease with serious social and economic consequences. Despite improvements in diagnosis and treatment the prognosis still remains dissatisfied and the hemorrhage leads to a very high mortality and morbidity. The main causes of a SAH are ruptured cerebral aneurysms. The prevalence of aneurysms is according to autopsy studies quite high, however, only few of these aneurysms will rupture.
The pathogenesis of cerebral aneurysms is still unknown to a large extent. Hemodynamics seems to play a crucial role in the development process as well as for the rupture of cerebral aneurysms. The wall shear stress (WSS), a small tangential force on the vessel wall, is of particular importance among hemodynamic parameters. To investigate fluid dynamic phenomena more and more so-called CFD-simulations (Computational Fluid Dynamics) are used. At the University Hospital of Regensburg we had the unique opportunity to observe the development of a "de novo" aneurysm of the basilar artery. A subsequently performed CFD- simulation with a blood fluid model showed that the development of this aneurysm was at the location of constant low WSS.
Such simulations always underlie certain limitations and validation by an in vitro experiment should always be the next step. In cooperation with the Department of Neurosurgery (Head: Prof. Brawanski A.) at the Fachhochschule Regensburg (Head: Prof. Lämmlein S.) preliminary tests on idealized glass models had already been performed and then had been compared with a CFD-simulation with good correspondence. Based on these findings a realistic, enlarged model of this special, yet innocent, basilar artery was manufactured using rapid prototyping. The next step was to place the model in the preexisting experimental rig. Using the hot-wire anemometry velocity profiles were measured. It was tried to place the measuring line at the place where the aneurysm later developed. The measured velocity profiles were compared with the results of CFD-simulations using the k-epsilon turbulence model and a Newtonian medium.
For physiological Reynolds numbers (Re) it showed good qualitative and acceptable quantitative correspondence. At higher Re, however, there were large discrepancies between simulation and measurement. It is likely that these differences are caused by disturbances in the experimental rig, which particularly play a more important role at higher flow rates.
Compared with simulations using the same basilar artery model but a blood mimicking fluid model, no low WSS could be measured on the posterior side of the basilar head in the experiments in this thesis. However, the measured velocities in these experiments were relatively high compared to the anterior wall. An experimental validation of realistic CFD-simulations seems difficult to achieve in this setting. Hence it is essential to keep on improving the test circuit. In addition, optical measurement techniques (PIV, LDV) in particular because of their non-invasiveness, have great advantages compared with the hot-wire anemometry.
The precise effects of simplifications (concerning fluid, wall properties, boundary conditions), which must be assumed for the CFD-simulations as well as for in vitro experiments, are still unclear. The influence of other factors such as the aneurysm environment is still unknown as well and can hardly be considered in simulations. To get a realistic impression of flow in vessels and aneurysms further development of the technique is necessary. To find its way into clinical practice a comparison with in vivo conditions as well as an evaluation in large multicenter studies is indispensable. If these requirements are adequately met, the CFD could be a powerful tool for the prediction and risk assessment of cerebral aneurysms as well as to evaluate therapeutic options in future.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 03:24
Owner only: item control page
Download Statistics