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Einleitung:
Blutdruck gilt als sogenannter Vitalparameter als einer der grundlegenden Indikatoren für den Gesundheitszustand einer Person. Sowohl zu niedriger als auch zu hoher Blutdruck kann lebensbedrohend sein, letzerer ist darüber hinaus ein Risikofaktor insbesondere für Herz-Kreislauferkrankungen, die trotz wichtiger Fortschritte in der Behandlung immer noch die häufigste Todesursache in Deutschland darstellen. Die Hämodynamik, also die raumzeitliche Dynamik des Blutflusses, und der Gefäßzustand sind eng verbunden mit dem Blutdruck und ebenfalls von hoher klinischer Relevanz, u.a. zur Identifikation von Durchblutungsstörungen und ungünstigen Druckverteilungen der Gefäßwand. Innovationen in der Messtechnik als auch in der Datenanalyse bieten heute neue Möglichkeiten der Erfassung und Bewertung von Blutdruck, Hämodynamik und Gefäßzustand [1], [2], [3], [4].
Methodik:
In einer gemeinsamen Workshopserie der AG Medizinische Bild- und Signalverarbeitung der GMDS und des Fachausschusses Biosignale der DGBMT werden wir neue Ansätze und Lösungen für Mess- und Analyseverfahren zu Blutdruck und -fluss sowie zum Gefäßzustand vorstellen und diskutieren. Dabei stehen im ersten Workshop auf der GMDS Jahrestagung Bildbasierte Verfahren im Zentrum, während der zweite Workshop auf der DGBMT Jahrestagung den Fokus auf Biosignalbasierten Verfahren legt. Es werden aktuelle Forschungsergebnisse vorgestellt und diskutiert. Es sind jeweils mehrere Vorträge geplant mit ausreichend Zeit zur Diskussion. Folgende Vorträge sind geplant (Arbeitstitel):
Sebastian Zaunseder: Videobasierte Erfassung des Blutdrucks
Anja Hennemuth: A Visualization Toolkit for the Analysis of Aortic Anatomy and Pressure Distribution
Lars Krenkel: Numerische Analyse der Rupturwahrscheinlichkeit zerebraler Aneurysmata
Susanne Schnell: Messung des Blutflusses und hämodynamischer Parameter mit 4D flow MRI: Möglichkeiten und Herausforderungen
Ergebnisse:
Ziel des Workshops ist die Identifikation von innovativen Ansätzen und neuen Methoden zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von hämodynamischen Parametern sowie deren kritische Bewertung durch die Community für die Eignung in der klinischen Entscheidungsunterstützung.
Diskussion:
Der Workshop leistet inhaltlich einen Beitrag zu zentralen Aspekten für die Herz-Kreislauf-Medizin. Er bringt dabei Expertise aus verschiedenen Bereichen zusammen und schlägt die Brücke zwischen Kardiologie, Medizininformatik und Medizintechnik.
Schlussfolgerung:
Innovative Technologien aus Medizintechnik und Informatik ermöglichen zunehmend einfache und raumzeitlich aufgelöste Erfassung und Bewertung wichtiger Informationen zur Unterstützung von Diagnose und Therapieverfolgung.
[1] Zaunseder S, Trumpp A, Wedekind D, Malberg H. Cardiovascular assessment by imaging photoplethysmography - a review. Biomed Tech (Berl). 2018 Oct 25;63(5):617–34.
[2] Huellebrand M, Messroghli D, Tautz L, Kuehne T, Hennemuth A. An extensible software platform for interdisciplinary cardiovascular imaging research. Comput Methods Programs Biomed. 2020 Feb;184:105277.
[3] Schmitter S, Adriany G, Waks M, Moeller S, Aristova M, Vali A, et al. Bilateral Multiband 4D Flow MRI of the Carotid Arteries at 7T. Magn Reson Med. 2020 Oct;84(4):1947–60.
[4] Birkenmaier C, and Krenkel, L. Flow in Artificial Lungs. In: New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XIII. Contributions to the 22nd STAB/DGLR Symposium. Springer; 2021.
Forschung 2018
(2018)
Vortex-Generator Pairs for Vortex-Induced Heat-Transfer Enhancement in Heat-Exchanger Channels
(2010)
The objective of the presented work is to investigate possibilities for increasing the heattransfer in heat-exchanger channels for aircraft applications by using flow-manipulating devices. Focal point of the investigation are different arrangements of vortex-generator pairs within a generic heat-exchanger channel. The DLR URANS CFD solver THETA has been used to carry out numerical simulations of the laminar flow within a rectangular channel with integrated vortex generators. In particular, the analysis of the interaction of generated vortices with the stratified thermal boundary layer, the impact of vortical flow structures on heated walls and the enforced mixed-convection flow is of special interest. The final goal is the evaluation of the applicability of oppositely arranged vortex-generator pairs for the enhancement of vortex-induced heat-transfer.
To detect convective gas flow inside the large airways during high frequency oscillated ventilation (HFOV) the fluorinated contrast gas Heptafluoropropane was used for 19F-MRI. In a first study the comparison between constant flow measurements and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations provided a good agreement. In a following experiment oscillated flow was applied to a lung phantom consisting of ventilation bag and long pipe. The pressure wave inside the pipe was explored point-by-point and corresponding velocities were determined. With these experiments it could be shown for the first time that flow measurement during HFOV using fluorinated contrast gas is feasible.
Der vorliegende Artikel skizziert die neu entwickelte Prozesskette für detailgenaue Rekonstruktion von Geometrien anhand medizinischer Bilddaten sowie die Herstellung von transparenten Modellen für experimentelle Untersuchungen mit bildgebenden Strömungsmessverfahren. Die Geometriedaten und Modelle werden für systematische Untersuchungen der komplexen Transportvorgänge in den Atemwegen bei künstlicher Beatmung mittels Hochfrequenzoszillationsventilation (HFOV) verwendet.
Influence of CFD Strategy on WSS and OSI Determination for Intracranial Aneurysm Rupture Assessment
(2019)
The special wing geometry of dragonflies consisting of veins and a membrane forming a corrugated profile leads to special aerodynamic characteristics. To capture the governing flow regimes of a dragonfly wing in detail, a realistic wing model has to be investigated. Therefore, this study aimed to analyze the aerodynamic characteristics of a 3D dragonfly wing reconstructed from a high-resolution micro-CT scan. Afterwards, a spatially high discretized mesh was generated using the mesh generator CENTAUR™ 14.5.0.2 (CentaurSoft, Austin, TX, US) to finally conduct Computational Fluid Dynamics (CFD) investigations in Fluent® 2020 R2 (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, US). Due to the small dimensions of the wing membrane, only the vein structure of a Camacinia Gigantea was captured at a micro-CT voxel size of 7 microns. The membrane was adapted and connected to the vein structure using a Boolean union operation. Occurring nconsistencies after combining the veins and the membrane were corrected using an adapted pymesh script [1]. As an initial study, only one quarter of the wing (outer wing section) was investigated to reduce the required computational effort. The resulting hybrid mesh consisting of 10 pseudo-structured prism layers along the wing surface and tetrahedra in the farfield area has 43 mio. nodes. The flow around the wing was considered to be incompressible and laminar using transient calculations. When the flow passes the vein structures, steady vortices occur in the corrugation valleys leading to recirculation zones. Therefore, the dragonfly wing resembles the profile of an airfoil. This leads to comparable lift coefficients of dragonfly wings and airfoil profiles at significantly reduced structural weight. The reconstructed geometry also included naturally occurring triangular prismlike serrated structures at the leading edge of the wing, which have comparable effects to micro vortex generators and might stabilize the recirculation zones. Further work aims to investigate the aerodynamic properties of a complete dragonfly wing during wing flapping.
BACKGROUND:
Shear-induced conformational changes of von Willebrand factor (vWF) may be responsible for coagulation disorder and clot formation inside membrane oxygenators (MOs) during extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) therapy.
OBJECTIVE:
The aim was to identify vWF structures inside clinically used MOs and employ computational fluid dynamics to verify the corresponding flow conditions.
METHODS:
Samples from gas exchange membranes (GEM) from MOs were analysed for accumulations of vWF and P-selectin-positive platelets using immunofluorescence techniques. Streamlines and shear rates of the flow around GEMs were computed using a laminar steady Reynolds-Averaged-Navier-Stokes approach.
RESULTS:
Most samples were colonized with equally distributed leukocytes, integrated in thin cobweb-like vWF-structures. Only 25 % of the samples showed extended accumulations of vWF. Computed streamlines showed considerable cross flow between interconnected neighbouring channels. Stagnation points were non-symmetric and contact faces were washed around closely. The occurring maximum shear rates ranged from 2,500 to 3,000 1/s.
CONCLUSIONS:
If pronounced vWF structures are present, shape and extent match the flow computations well. Computed shear rates bear a critical degree of uncertainty due to the improper viscosity model. If flow conditions inside the MO were sufficient to affect vWF, a more consistent distribution of vWF across the samples should be present.