Skip to main content English

Kardiovaskuläre Simulationen und Strömungsdynamik

Kardiovaskuläre Technik

Lokale Strömungseigenschaften im kardiovaskulären Bereich können mit Krankheiten und deren Folgen in Verbindung gebracht werden

Strömungssimulator für das Herz (Particle Image Velocimetry)

In einem gesunden Herzen sorgen komplexe dreidimensionale Strömungsmuster für einen effizienten Vorwärtsfluss des Blutes mit geringen Verlusten und verwirbelnden Strömungsmustern. In transparenten Modellen von Herzgeometrien können diese Strömungsmuster untersucht und die Auswirkungen verschiedener Pathologien analysiert werden. Veränderungen in diesen Wirbelströmungsmustern können sogar als Prädiktoren für Herz-Kreislauf-Erkrankungen verwendet werden.

Die verwendete Schlüsseltechnologie ist die Particle Image Velocimetry (PIV), mit der die Auswirkungen von linksventrikulären Unterstützungsgeräten analysiert werden, einschließlich Variationen der Unterstützung, verschiedener Positionen, kontrollierter Geschwindigkeitsmodi und patientenspezifischer Herzgeometrien. In Kombination mit der M3dRES-Infrastruktur werden mögliche Zusammenhänge mit Krankheiten (z.B. Thrombusbildung, Schlaganfall) untersucht.

Computergestützte Strömungsdynamik (CFD)

Parallel zu den experimentellen Strömungsstudien werden numerische Methoden eingesetzt, um weitere Erkenntnisse über die kardiovaskuläre Strömung zu gewinnen. Das allgemeine Ziel ist es, strömungsmechanische Probleme näherungsweise mit numerischen Methoden zu lösen, die am Vienna Scientific Cluster (VSC) durchgeführt werden. Die numerischen Ergebnisse werden mit experimentellen Messungen verschiedener kardiovaskulärer Strömungen validiert. Auswirkungen verschiedener Ventrikelgeometrien, mechanische kardiovaskuläre Unterstützung, Design von Blutflusskanülen und Herzklappen sind nur einige der brennendsten Forschungsthemen.

Patientenspezifische FSI-Simulation des intrakardialen Blutflusses mit einer gesunden Mitralklappe

Abspielen
Das Video zeigt die Strömungsfelder im linken Vorhof und in der linken Herzkammer eines Patienten, der an Herzinsuffizienz leidet. Die Fluid-Struktur-Interaktionssimulation wurde durchgeführt, um das Blutflussverhalten und die Dynamik der Mitralklappe über einen Herzzyklus hinweg zu simulieren.

Patientenspezifische FSI-Simulation des intrakardialen Blutflusses mit einer verkalkten Mitralklappe

Abspielen
Das Video zeigt die Strömungsfelder im linken Vorhof und im linken Ventrikel eines Patienten mit Mitralinsuffizienz. Die Fluid-Struktur-Interaktionssimulation wurde durchgeführt, um das Blutflussverhalten und die Dynamik der Mitralklappe über einen Herzzyklus hinweg zu simulieren. Die Beweglichkeit der Mitralklappe ist infolge der Verkalkung der Mitralklappe stark eingeschränkt, was zu einem Rückfluss während der Systole führt.

FSI-Simulation der Aortenklappe

Abspielen
Das Video zeigt die Fluid-Struktur-Interaktionssimulation der Aortenklappe über einen Herzzyklus.

Verwendung von bioprothetischem Material für Simulatoren und Schulungen

Bioprothetische Klappen und Gewebe sind eine wertvolle Quelle für PatientInnen mit Herzinsuffizienz. Diese Materialien und zusätzlich Schweine-/Rinderherzen oder auch nur Klappen sind eine Quelle für biologisches Gewebe, das experimentelle Untersuchungen in Simulationsschleifen ermöglicht und dazu beitragen kann, Tierversuche zu reduzieren. Die Auswirkungen verschiedener Aortenklappenersatzmaterialien sowie Klappenpathologien können erzeugt und entweder für Forschungszwecke oder als Schulungsinstrument für HerzchirurgInnen oder interventionelle RadiologInnen verwendet werden.

Strömungsvisualisierung (Echo-PIV) mit Ultraschall-Techniken

Die Herzechokardiographie ist die wichtigste bildgebende Routineuntersuchung bei PatientInnen mit Herzinsuffizienz und wird auch zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Herzklappen und Herzmuskelgewebe eingesetzt. Ihre Zuverlässigkeit ist jedoch manchmal nicht bewiesen, insbesondere bei neuen Geräten. Im Versuchsaufbau kann die Leistung neuer Geräte oder Technologien (z.B. Herzklappen, Anastomosentechniken) anhand standardisierter experimenteller Messungen (Particle Image Velocimetry - PIV) getestet und bewertet werden.