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Entwicklung computergestützter Simulationstechniken zur Prädiktion des Einflusses von Stentgeometrien auf den Therapieerfolg bei Blutgefäßaneurysmata

Abstract: 

Die Zielsetzung dieses interdisziplinären Forschungsprojektes ist die Entwicklung computergestützter Simulationstechniken zur individuellen Prädiktion des Blutströmungsverhaltens mit Strukturinteraktion und des Einflusses von Stentgeometrien auf den Therapieerfolg bei Blutgefäßaneurysmata. Im Vergleich zu anderen Studien sollen die Stentgeometrien frei parametrisierbar sein, um für verschiedene Einstellgrößen (u. a. Weite, Dicke und Orientierung der Maschen) Voraussagen über das resultierende Strömungsverhalten treffen zu können. Die beabsichtigte flexible Platzierung und Orientierung der Stentgeometrien in der Arterie vor dem Aneurysma sowie die Berücksichtigung der durch die Einbringung des Stents entstehenden Arterienverformung bedingt eine zusätzliche Vergrößerung des zu evaluierenden Parameterraums. Deshalb soll für realistische Anwendungsfälle untersucht werden, inwieweit approximative, dafür aber hoch effiziente Methoden (wie z. B. Lattice Boltzmann oder Smoothed Particle Hydrodynamics) im Vergleich zu hochgenauen, aber auch aufwendigeren direkten Computational Fluid Dynamics Simulationen (mit Finite-Elemente-Verfahren) auf der Basis der Navier-Stokes-Gleichungen entwickelt und angepasst werden können. Weiterhin sollen u. a. auch das Aneurysmawachstum, die Eigenschaften moderner Flow-Diverter-Stents sowie realistischere Bluteigenschaften wie Thrombosierung und Epithelisierung in das Gesamtmodell integriert werden, um zukünftig flexible, genaue und effiziente Simulationen für „patientenspezifische Stents und Therapien“ zu realisieren.

Beschreibung: 

In Deutschland erkranken pro Jahr etwa 15.000 Patienten an einer Subarachnoidalblutung. Diese spezielle Form des Schlaganfalls wird in 80% der Fälle durch die Ruptur eines intrakraniellen Aneurysmas verursacht, wobei in etwa 60% der Fälle eine Rupturblutung eines entlang des Circulus arteriosus Willisii lokalisierten Aneurysmas vorliegt – Traumata, cerebrale Angiome, Hirngefäßarteriosklerose, seltene Gefäßerkrankungen sowie spinale Angiome sind für die restlichen 40% verantwortlich. Bei rechtzeitiger Diagnose im Vorfeld einer Ruptur des intrakraniellen Aneurysmas stehen verschiedene Therapiemöglichkeiten zur Verfügung, beispielsweise eine endovaskuläre Behandlung unter Einsatz von Stent und Coils oder mit modernen Flow-Diverter-Stents. Diese Therapieoptionen sollen innerhalb des Forschungsprojektes mithilfe von computergestützten Simulationen näher untersucht werden.

Das Projektvorhaben gliedert sich dabei in die zwei Teilaspekte Modellierung und Simulation. Dabei umfasst die Modellierung die Aufbereitung medizinischer Daten, die Erstellung eines geeigneten parametrisierbaren Stentmodells und die Auswahl und Integration geeigneter hydrodynamischer und elastoplastischer Materialmodelle. Im Zuge der Aufbereitung medizinischer Daten muss zunächst eine modellbasierte Aufbereitung geeigneter radiologischer und histologischer Daten erfolgen, aus denen dann unter Zuhilfenahme von Methoden digitaler Bildverarbeitung mittels Reverse-Engineering, geometrische Repräsentationen der Simulationsdomänen gewonnen werden sollen. Sowohl zur Repräsentation dieser Daten, als auch zur Repräsentation des parametrisierbaren Stentmodells sollen Level-Set-basierte Ansätze verwendet werden, die sich nicht nur durch eine hohe Flexibilität und Genauigkeit auszeichnen, sondern die auch eine effiziente Kopplung an die verwendeten Simulationsmethoden ermöglichen.

Im Rahmen der Simulation sollen die mit der gewählten Modellierung berechneten Ergebnisse sowohl mit physikalischen Strömungsmessdaten von Arterienphantomen als auch mit etablierten hochgenauen FE-Methoden verglichen werden, um Aussagen über die erreichte Simulationsqualität treffen zu können. Basierend den, auf diesen Erkenntnissen optimierten Modellen sollen dann anhand geeignet parametrisierter Stents Abhängigkeiten zwischen den grundlegenden Stentparametern und dem unter medizinischen Aspekten relevanten Strömungsverhalten sowie daraus ableitbaren Prozessen, wie der Thrombosierung und Epithelisierung bestimmt werden.

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Bearbeiter: 
Status: 
Aktiv
Kooperation: 
  • Stefan Turek (Institut für Angewandte Mathematik, LS III, Technische Universität Dortmund)
  • Dieter Suter (Lehrstuhl Experimentelle Physik III, Hochauflösende Spektroskopie, Technische Universität Dortmund)
  • Iris Grunwald (Klinik für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie, Universitätsklinikum des Saarlandes und Oxford University Hospitals NHS Trust, NIHR Oxford Biomedical Research Centre, England)
  • Mathias Wagner (Allgemeine und Spezielle Pathologie, Universität des Saarlandes)
  • Christian Roth (Klinik für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie, Universitätsklinikum des Saarlandes)
  • Bernd F. Romeike (Institut für Pathologie, Universitätsklinikum Jena)
  • Luisa Kühn (The New England Center for Stroke Research, Department of Radiology, University of Massachusetts Medical School, Worcester, MA, USA)