Investigation of Shear Induced Clot Formation in Extracorporeal Membrane Oxygenation: Computer Based Flow and Clot Evaluation

Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	9 März 2026
Begutachter (Erstgutachter):	Prof. Dr. Lars Krenkel
Tag der Prüfung:	24 Februar 2026
Institutionen:	Medizin > Lehrstuhl für Herz-, Thorax- und herznahe Gefäßchirurgie
Projekte:	SPP 2014: Auf dem Weg zur implantierbaren Lunge Gefördert von: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (313779459)
Stichwörter / Keywords:	ECMO; Membrane Lung; CFD; Histolgy; MDCT; µCT;
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	78886

Zusammenfassung (Englisch)

Extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) is associated with hemostatic complications, posing great risk on the patients. However, the underlying clotting mechanisms are not yet fully understood to sufficiently prevent clotting in clinical practice. Aim of this work was to gain deeper insights into the complex clotting phenomena. Clotting was investigated with state-of-the-art visualization ...

Zusammenfassung (Englisch)

Extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) is associated with hemostatic complications, posing great risk on the patients. However, the underlying clotting mechanisms are not yet fully understood to sufficiently prevent clotting in clinical practice. Aim of this work was to gain deeper insights into the complex clotting phenomena. Clotting was investigated with state-of-the-art visualization protocols for seven clinically used membrane lungs (MLs), CFD of realistic fiber mat stacks, and non-invasive flow measurements within ECMO pumps. A polymer embedding procedure was established to analyze fiber mat spanning immunological deposits inside MLs and ECMO pumps, expanding the histological repertoire. A significant higher clot volume was observed in the first chamber of all MLs. Clot deposition was constant along the fiber mats. However, in vicinity of structural changes (e.g. dividing wall) an irregular clot volume was observed. CFD results proved that the asymmetrical hollow-fiber arrangement clearly affects the local flow regimes. Yet, pathological flow, in terms of vWF elongation was not found. In contrast, the pump was associated with a turbulent flow regime. In conclusion, intra-device clot formation remains a complex phenomenon. It seems likely that the pump is a main trigger of clot formation. The local flow regimes close to the hollow-fibers result in elevated shear stress but not above the critical threshold defined in the literature. However, flow induced clotting might still be prevailing close
to structural changes inside the ML.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Die extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) ist mit hämostatischen Komplikationen verbunden. Die zugrundeliegenden Gerinnungsmechanismen sind jedoch noch nicht vollumfänglich verstanden, um die Gerinnselbildung in der Praxis zu verhindern. Ziel dieser Arbeit war es, tiefere Einblicke in die komplexen Gerinnungsphänomene zu gewinnen. Die Gerinnsel innerhalb sieben klinisch verwendeter ...

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Die extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) ist mit hämostatischen Komplikationen verbunden. Die zugrundeliegenden Gerinnungsmechanismen sind jedoch noch nicht vollumfänglich verstanden, um die Gerinnselbildung in der Praxis zu verhindern. Ziel dieser Arbeit war es, tiefere Einblicke in die komplexen Gerinnungsphänomene zu gewinnen. Die Gerinnsel innerhalb sieben klinisch verwendeter Membranlungen (MLs) wurden evaluiert, numerische Strömungsberechnung (CFD) von realistischen Fasermattenstapeln durchgeführt und experimentelle Strömungsdaten aus ECMOPumpen
erhoben. Es wurde ein Verfahren zur Polymereinbettung entwickelt, um
fasermattenübergreifende immunologische Ablagerungen innerhalb von MLs und ECMO-Pumpen zu analysieren. Ein signifikant höheres Gerinnselvolumen wurde in der ersten Kammer aller MLs beobachtet. Die Gerinnselablagerung war hierbei entlang der Fasermatten konstant. Jedoch in der Nähe von strukturellen Veränderungen (z. B. der Trennwand) wurde ein unregelmäßiges Gerinnselvolumen beobachtet. CFD Ergebnisse belegen, dass die asymmetrische Anordnung der Hohlfasern die lokalen Strömungsregime deutlich beeinflusst. Ein pathologischer Fluss im Sinne einer Elongation
des von Willebrand Faktors (vWF) wurde jedoch nicht festgestellt. Im Gegensatz
dazu wurde gezeigt, dass turbulente Strömungsbedingungen innerhalb der Pumpe bestehen. Es scheint wahrscheinlich, dass die Pumpe ein Hauptauslöser der Gerinnselbildung ist. Erhöhte Wandscherraten aufgrund des asymmetrischen Strömungsfelds im ML waren erkennbar, jedoch überstiegen diese nicht den in der Litarature als kritisch definierten Schwellenwert. Dennoch könnte die strömungsinduzierte Gerinnung in der Nähe der strukturellen Veränderungen im Inneren der ML vorherrschen.

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