Validierte Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion in arteriellen Bypässen

Projekt 01FMTHH14

Validierte Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion in arteriellen Bypässen

Im Rahmen des Projektes wurden Simulations- und Modellierungsmethoden für Probleme der Fluid- Struktur-Interaktion (FSI) im arteriellen System entwickelt und zur Untersuchung der Blutströmung in Bypässen angewandt. Ein partitionierter Lösungsansatz stellt die Grundlage für die Simulationen dar. Somit können das fluid- und das strukturmechanische Teilproblem separat voneinander formuliert und auf spezialisierte Simulationsprogramme zurückgegriffen werden. Eine Kopplungssoftware  steuert den zur Beschreibung der Interaktion nötigen Datenaustausch zwischen den Programmen. Erst durch neuartige Beschleunigungsmethoden kann ein solcher Lösungsansatz auch zur Simulation von Blutströmungen verfolgt werden, welche auf Grund der physikalischen Eigenschaften des Fluids (Blut) und der Struktur (Gefäßwände) im allgemeinen zu Stabilitätsproblemen führen.

Die Simulation der FSI erfolgt dreidimensional. Eine entsprechend voll aufgelöste Simulation kann allerdings nur für einen kleinen Bereich des arteriellen Systems erfolgen.

Interaktion der reduzierten Modelle mit dem dreidimensionalen Modell einer arteriellen Bypass-Anastomose im Rahmen des partitionierten Lösungsansatzes

In Blutströmungssimulationen stellt das strukturmechanische Teilproblem neben der Stabilisierung eines partitionierten Lösungsansatzes eine besondere Herausforderung dar. Aufgrund der Beschaffenheit der Gefäßwände (dünnwandige Strukturen, nahezu inkompressibel und anisotropes Material) wurden zur Diskretisierung des Teilproblems finite Elemente hoher Ordnung verwendet. Der Einfluss unterschiedlicher Materialeigenschaften kann somit genauso untersucht werden, wie unterschiedliche Durchflussraten und Geometrien. Letztere können dabei sowohl mithilfe Bildgebender Verfahren an die Gefäße realer Patienten angepasst werden, oder aber durch ein Verfahren zur Konstruktion glatter Oberflächen durch den Anwender festgelegt werden.

Im Rahmen des Projekts wurden umfangreiche Vorarbeiten geleistet und gemeinsam veröffentlicht. So entstanden insgesamt 6 Publikationen in renommierten internationalen Zeitschriften mit peer-review Prozess.

Beteiligte

Prof. Eike Sebastian Debus

Klinik und Poliklinik für Gefäßmedizin
UKE

Lars Radtke, M.Sc.
Projektbearbeitung

Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen

TUHH

Prof. Alexander Düster
Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen

TUHH

Publikationsliste

Zeitschriftenartikel

  • [1] Lars Radtke, Axel Larena-Avellaneda, Eike Sebastian Debus, Alexander Düster. Convergence acceleration for partitioned simulations of the fluid-structure interaction in arteries. Computational Mechanics 57(6):901 – 920, 2016.
  • [2] Marcel König, Lars Radtke, Alexander Düster. A Flexible C++ Framework for the Partitioned Solution of Strongly Coupled Multifield Problems. Computers and Mathematics with Applications 72(7):1764 – 1789, 2016.
  • [3] Lars Radtke, Marcel König, Alexander Düster. The influence of geometric imperfections in cardiovascular FSI simulations. Computers and Mathematics with Applications 74(7):1675 – 1689, 2017.
  • [4] Omid Sepahi, Lars Radtke, Eike Sebastian Debus, Alexander Düster. Anisotropic hierarchic solid finite elements for the simulation of passive-active arterial wall models. Computers and Mathematics with Applications 74(12):3058 – 3079, 2017.
  • [5] Lars Radtke, Axel Larena-Avellaneda, Eike Sebastian Debus, Alexander Düster. Simulation der Fluid-Struktur- Interaktion in arteriellen Bypässen. Gefäßchirurgie 22(6):400 – 406, 2017.
  • [6] Jan Philipp Heners, Lars Radtke, Michael Hinze, Alexander Düster. Adjoint shape optimization for fluid- structure interaction of ducted flows. Computational Mechanics, accepted, 2017.

Proceedings

  • [7] Lars Radtke, Axel Larena-Avellaneda, Tilo Kölbel, Eike Sebastian Debus, Alexander Düster. Cardiovascular fluid-structure interaction: A partitioned approach utilizing the p-FEM. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 14:493 – 494, 2014.
  • [8] Lars Radtke, Axel Larena-Avellaneda, Eike Sebastian Debus, Alexander Düster. A hierarchical modeling approach to cardiovascular fluid-structure interaction. Proceedings of the 4th International Conference on Computational & Mathematical Biomedical Engineering 212 – 215, 2015.

Konferenzbeiträge (Vorträge)

  • [9] Cardiovascular fluid-structure interaction: A partitioned approach utilizing the p-FEM. Jahrestagung der GAMM, Erlangen, März 2014.
  • [10] Partitioned Solution of Fluid-Structure Interaction Problems – Applications in Maritime Industry and Biomechanical Engineering. 7. Workshop der Gesellshaft zur Förderung der Kontinuumsmechanik e.V., Dreisbach, September 2014.
  • [11] A hierarchical modeling approach to cardiovascular fluid-structure interaction. 4th International Conference on Computational and Mathematical Biomedical Engineering, Cachan, Juni 2015.
  • [12] A flexible C++ framework for partitioned multiphysics simulations applied to fluid-structure interaction problems. 8. Workshop der Gesellshaft zur Förderung der Kontinuumsmechanik e.V., Cuxhaven, September 2015.
  • [13] Validierte Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion in arteriellen Bypässen. 4. FMTHH-Symposium, Hamburg, November 2014.
  • [14] Application and implementation of advanced coupling schemes for fluid-structure interaction problems. 9. Workshop der Gesellshaft zur Förderung der Kontinuumsmechanik e.V., St. Andreasberg, September 2016.
  • [15] High-order geometric modeling and simulation of the fluid-structure interaction in end-to-side anastomoses. Engineering Mechanics Institutes Conference, San Diego, Juni 2017.

Konferenzbeiträge (Poster)

  • [16] Partitioned simulation of cardiovascular FSI utilizing high order finite elements. Sixth International Workshop on High-Order Finite Element and Isogeometric Methods, Frauenchiemsee, Juli 2014.
  • [17] Validierte Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion in arteriellen Bypässen. 3. FMTHH-Symposium, Hamburg, November 2014.
  • [18] Modellierung und Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion in Blutgefäßen mit finiten Elementen hoher Ordnung. 13. Hamburger Studierendentagung zur Innovativen Medizin- und Biotechnologie, Hamburg, Mai 2016.
  • [19] Cardiovascular fluid-structure interaction using high-order finite elements. Seventh International Workshop on High-Order Finite Element and Isogeometric Methods, Jerusalem, Juli 2016.

by FMTHH

BioMicroSens 
Charakterisierung biologischer Zellen mit Mikrowellen-Nahfeldsensoren

Projekt

BioMicroSens 
Charakterisierung biologischer Zellen mit Mikrowellen-Nahfeldsensoren

Ein alternatives Verfahren zur Charakterisierung von Zellen ist die Impedanzspektroskopie. Diese Methode beruht auf der Interaktion zwischen elektromagnetischen Wellen und biologischen Zellen und kann zerstörungsfrei versuchsbegleitend eingesetzt werden. Allerdings sind die Untersuchungsergebnisse derzeit schwieriger zu interpretieren als bei den Standardverfahren. Von ähnlichen Messungen im Mikrowellenbereich versprechen sich die Forscher Informationen über den inneren Zustand der untersuchten Zellen.

Am Institut für Hochfrequenztechnik (IHF) der TUHH wurde ein entsprechendes Sensorsystem entwickelt. In der Kooperation zwischen dem IHF und der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie am UKE wurde dieses Sensorsystem mittels neuer Technologieansätze für den Einsatz in der Tumordiagnostik weiterentwickelt.

Bild 1: Messaufbau
Bild 2: Einzelzelle bei Messung

Ausgangssituation und Zielsetzung

Die Charakterisierung biologischer Zellen im Mikrowellenbereich wurde in den letzten Jahren von verschiedenen Forschergruppen untersucht. Der Grundgedanke dabei ist, dass sich Unterschiede auf biologischer Ebene in einer Änderung der Permittivität niederschlagen, welche wiederum im Mikrowellenfrequenzbereich gemessen werden kann. Im Gegensatz zur Impedanzspektroskopie bei niedrigen Frequenzen kann im Mikrowellenbereich in ionischen Lösungen gemessen werden, da die Leitfähigkeit der Flüssigkeit bei höheren Frequenzen keinen großen Einfluss hat. Somit können Zellen in einer natürlichen Umgebung wie einer Nährlösung untersucht werden, gegebenenfalls auch parallel zur Kultivierung. Des Weiteren kann man bei höheren Frequenzen mit den elektromagnetischen Feldern in das Innere der Zellen eindringen. So kann potentiell eine Aussage über den Zustand der Zelle gemacht werden, nicht nur über Form und Größe. Im Gegensatz zu Fluoreszenzmessungen, bei denen bestimmte Zelleigenschaften optisch sichtbar gemacht werden, können die Messungen im Mikrowellenfrequenzbereich jedoch ohne jegliche Marker durchgeführt werden und gelten daher als nicht-invasiv. Ziel dieses Projektes war, ein bestehendes Sensorsystem so zu miniaturisieren, dass Messungen an einzelnen Zellen ermöglicht werden.

Vorgehensweise und Methoden

Spezielle Herausforderungen lagen in der
• Miniaturisierung der Messspitze und Design eines mikrofluidischen Kanals zur Zellpositionierung
• Weiterentwicklung des Designs unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften der verwendeten Technologien
• Anpassung der Empfindlichkeit des Sensors
• Entwicklung einer Mikrofluidischen Falle für Einzelzellmessungen und der Testung der Funktionalität der Aufbauten mit bekannten Zelllinien.

Basierend auf den Ergebnissen der ersten Versuche mit einzelnen Zellen waren weitere Messreihen mit medizinisch relevanten Zellen geplant.

Um einzelne Zellen untersuchen zu können, werden Auflösungen im Bereich weniger Mikrometer benötigt. Hierfür wurden im Laufe des Projektes verschiedene Technologien angesetzt.

Mit den getesteten Technologien war es möglich, Einzelzellmessungen durchzuführen und signifikante Kontraste zum Nährmedium zu detektieren. Forschungsrelevante Ergebnisse konnten erzielt und veröffentlicht werden. Leider war aufgrund der Schwierigkeiten bei der Positionierung ein medizinisch relevanter Vergleich zweier unterschiedlicher Zelllinien nicht möglich.

Beteiligte

Dr. rer. nat. Philip Hartjen
Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie
UKE

Prof. Dr. med. Dr. med. dent. Ralf Smeets
Projektleitung
Klinik für Mund-, Kiefer-, Gesichtschirurgie
UKE

Nora Meyne
Projektleitung
Institut für Hochfrequenztechnik
TUHH

Prof. a.D. Dr.-Ing. Arne Jacob
Institutsleitung
Institut für Hochfrequenztechnik
TUHH

Unterstützt durch

Publikationsliste

2017

  • N. Meyne, G. Fuge, A.-P. Zeng and A. F. Jacob, “Resonant Microwave Sensors for Picoliter Liquid Characterization and Nondestructive Detection of Single Biological Cells”, in IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology, vol. 1, no. 2, pp. 98-104, Dec. 2017

2015

  • N. Meyne, G. Fuge, S. Hemanth, H. K. Trieu, A.-P. Zeng; A. F. Jacob, “Broadband dielectric characterization of CHO-K1 cells using miniaturized transmission-line sensor,” in IEEE Topical Conference on Biomedical Wireless Technologies, Networks, and Sensing Systems (BioWireleSS), pp.1-3, 25-28 Jan. 2015
  • N. Meyne, G. Fuge, H. K. Trieu, A.-P. Zeng, A. F. Jacob, “Miniaturized transmission-line sensor for broadband dielectric characterization of biological liquids and cell suspensions,”  in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, no. 10, pp. 3026-3033, Oct. 2015

2014

  • N. Meyne, S. Latus, A. F. Jacob, “Corrugated coplanar transmission-line sensor for broadband liquid sample characterization,” in German Microwave Conference  (GeMIC), pp. 1-4, 10-12 March 2014
  • N. Meyne, C. Cammin, A. F. Jacob, “Accuracy enhancement of a split-ring resonator liquid sensor using dielectric resonator coupling,” in 20th International Conference on Microwaves, Radar, and Wireless Communication (MIKON), pp. 1-4, 16-18 June 2014
  • N. Meyne, W. Muller-Wichards, H. K. Trieu, A. F. Jacob, “Quasi-lumped coplanar transmission-line  sensors  for  broadband  liquid  characterization,” in 44th European  Microwave  Conference (EuMC), pp. 687-690, 6-9 Oct. 2014

by FMTHH

ALSTER – Aneurysm-Like Synthetic Bodies for Testing Endovascular Devices in 3D Reality

Projekt 01FMTHH13

ALSTER – Aneurysm-Like Synthetic Bodies for Testing Endovascular Devices in 3D Reality

Ausgangssituation und Zielsetzung

Aneurysmen sind Aussackungen der Blutgefäße, die eine Schwachstelle der Gefäßwand darstellen. Das Ziel des Verbundprojekts ALSTER der Klinik und Poliklinik für Neuroradiologische Diagnostik und Intervention am UKE und des Instituts für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik an der TUHH war die Entwicklung originalgetreuer dreidimensionale Modelle von intrakraniellen Arterien und Aneurysmen mittels additiver Fertigung, die für Tests der Device-Platzierung, der Simulation des Aneurysmadurchflusses, sowie zur Ausbildung des medizinischen Personals anwendbar sind.

Vorgehensweise und Methoden

Medizinische Bilddaten mehrerer patientenspezifischer Aneurysmen wurden akquiriert und anhand des neudefinierten Produktentstehungsprozesses aufgearbeitet und unter Anwendung der additiven Fertigung gefertigt (Bild 1). Die Fused Desposition Modelling (FDM) Produktion wurde anhand der Fertigung am HP Designjet 3D Printer evaluiert. Zur Erhöhung von Transparenz und Elastizität der Modelle wurde ein erweiterter Material- und Verfahrensvergleich durchgeführt. Die Nachbildungen der patientenspezifischen Aneurysmen wurden in ein Gesamtsystem, u.a. mit standardisiertem Aorta-Modell und pulsatiler Pumpe, integriert.

Bild 1: Produktentstehungsprozess der Blutgefäßmodelle
© Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik, Denickestraße 17, 21073 Hamburg

Bild 2: Coil-Embolisation eines Aneurysmas im Gefäßmodell

© Klinik für Neuroradiologische Diagnostik und Intervention, Martinistraße 52, 20246 Hamburg

Ergebnisse

Anhand von 10 intrakraniellen Aneurysmageometrien wurde gezeigt, dass Nachbildungen verzweigter Blutgefäße mittels additiver Fertigung direkt fertigbar sind [1]. Der Vergleich von 22 additiven Materialien und Fertigungsverfahren zeigte, dass abhängig von der Anwendung verschiedene additive Fertigungsverfahren für zerebrale Blutgefäßmodelle zu empfehlen sind [2]. Die Anwendung der Gefäßmodelle in der Angiographie wurde durch verschiedene Device-Tests, Messungen für Forschung und Flussmessung und Training zur Nachstellung realer Fälle realisiert. Im Rahmen des Projekts konnten verschiedene Behandlungsszenarien anhand der starren und elastischen Gefäßmodelle nachgestellt werden (Bild 2).

Beteiligte

Prof. Dr. med. Jens Fiehler
Klinikdirektor
Klinik und Poliklinik für Neuroradiologische Diagnostik und Intervention
UKE

Prof. Dr.-Ing. Dieter Krause
Institutsleiter
Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik
TUHH

Publikationsliste

2016

  • [2] Spallek, J.; Frölich, A.; Buhk, J.; Fiehler, J.; Krause, D.: Comparing Technologies of Additive Manufacturing for the Development of Vascular Models, Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference 2016
  • Sedlacik, J; Frölich, A.; Spallek, J.; Forkert, N; Faizy, T.; Werner, F.; Knopp, T.; Krause, D.; Fiehler, D.; Buhk, J.: Flow dynamics in a 3D printed brain aneurysm model assessed by magnetic particle imaging, magnetic resonance imaging and dynamic subtraction angiography. International Society for Magnetic Resonance in Medicine 2016 Annual Meeting 
  • Sedlacik, J; Frölich, A.; Spallek, J.; Forkert, N; Faizy, T.; Werner, F.; Knopp, T.; Krause, D.; Fiehler, D.; Buhk, J.: Flow dynamics in a 3D printed aneurysm model assessed by magnetic particle imaging. International Workshop on Magnetic Particle Imaging (IWMPI) 2016

2015

  • [1] Frölich, A.M.J.; Spallek J.; Brehmer, L.; Buhk, J.-H.; Krause, D.; Fiehler, J.; Kemmling, A.: 3D Printing of Intracranial Aneurysms Using Fused Deposition Modeling Offers Highly Accurate Replications. AJNR American Journal of Neuroradiology (2015) DOI: 10.3174/ajnr.A4486; Published online before print
  • Bericht über das Projekt ALSTER und die Entwicklung der Gefäßmodelle im Hamburger Abendblatt vom 28. Juli 2015: Modelle helfen bei Blutgefäß-OP
  • Krause, D.; Spallek, J.: 3D-Druck in der Medizin: Einführung und Anwendungsmöglichkeiten am Beispiel der Entwicklung von Aneurysmamodellen, 96. Deutscher Röntgenkongress, Hamburg (2015), RöFo – Fortschritte auf dem Gebiet der Röntgenstrahlen, 04/2015; 187(S 01). DOI: 10.1055/s-0035-1550811
  • Fiehler, J.; Frölich, A; Buhk, J: Aneurysmasimulation – von Aneurysmen aus dem 3D-Drucker, 96. Deutscher Röntgenkongress, Hamburg (2015), RöFo – Fortschritte auf dem Gebiet der Röntgenstrahlen, 04/2015; 187(S 02). DOI: 10.1055/s-0035-1550812

2014

  • Spallek, J.; Buhk, J.; Frölich, A; Fiehler, J; Krause, D.: ALSTER – Aneurysm Like Synthetic bodies for Testing Endovascular devices in 3D Reality. Vortrag beim 2. fmthh- Symposium, 17. November 2014, Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf.
  • Brehmer, L.; Frölich,A. M.; Buhk, J.; Spallek, J.; Krause, D.; Fiehler, J.; Kemmling, A.: 3D printing of intracranial aneurysms using Fused Deposition Modeling offers a high level of accuracy, 49. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Neuroradiologie, Köln, 23.-25. Oktober 2014.
  • Spallek, J.; Brehmer, L.; Frölich, A.; Kemmling, A.; Fiehler, J.; Krause, D.: Entwicklung generativ gefertigter und individualisierbarer Gefäßmodelle, Design for X, Beiträge zum 25. DfX-Symposium, Bamberg (2014), pp. 1-12.
  • Spallek, J.; Kemmling, A.; Fiehler, J.; Krause, D.: ALSTER – Aneurysm Like Synthetic bodies for Testing Endovascular devices in 3D Reality. Vortrag beim 1. fmthh- Symposium, 20. Februar 2014, TU Hamburg-Harburg.

Folgeprojekte

“ELBE-NTM” Development and Evaluation of a Patient-Based Neurointerventional Training Model
Kooperationsprojekt des Instituts für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik | TUHH und des Instituts für Mikrosystemtechnik | TUHH und der Klinik und Poliklinik für Neuroradiologische Diagnostik und Intervention | UKE. Gefördert vom BMBF mit Förderkennzeichen 031L0068A. Juni 2016 – Mai 2019.

COSY-SMILE – Completely Synthetic Stroke Model for Interventional Development and Education

Kooperationsprojekt des Instituts für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik | TUHH und der Klinik und Poliklinik für Neuroradiologische Diagnostik und Intervention | UKE aufbauend auf den Ergebnissen des Projektes ELBE-NTM. Gefördert vom BMBF mit Förderkennzeichen 031L0154A vom 01.04.2019 bis 31.03.2022 im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme „Alternativmethoden zum Tierversuch”.

by FMTHH