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PIVOxy – Experimentelle Strömungssichtbarmachung in Membranoxygenatoren

Projektbeschreibung

Die Beurteilung der Hämokompatibilität von Oxygenatoren erfolgt in der praktischen Anwendung über standardisierte, prototypbasierende Laborversuche. Dabei können jedoch nur integrale Größen, aber keine örtlich oder zeitlich aufgelösten Strömungsvariablen ermittelt werden. Für eine lokale Betrachtung der Strömungsvariablen hat sich Computational Fluid Dynamics (CFD) etabliert. Durch den Einsatz von Strömungssimulationen können bereits erste Designs hinsichtlich Stagnationsgebieten oder inhomogener Geschwindigkeitsverteilungen untersucht werden. Durch die komplexe Geometrie des Faserbündels in diesem speziellen Anwendungsfall müssen bei der numerischen Strömungsberechnung vereinfachende Annahmen getroffen werden, deren Validierung bisher nicht erfolgt ist. Particle Image Velocimetry (PIV) ist ein häufig erprobtes optisches Messverfahren zur Strömungssichtbarmachung, welches zur Validierung der blutseitigen Strömung auf diese komplexe Geometrie angewendet wird. Die Herausforderung und der offensichtliche Grund für die fehlende experimentelle Bestimmung des Strömungsbildes ist das lichtundurchlässige Faserbündel, das den Einsatz optischer Messmethoden unmöglich gemacht hat. Zudem verhinderte bisher die filigrane und dichte Faserstruktur eine angemessene optische Auflösung der Strömung.

Abbildung1:
a) PIVOxy-Modell und NeonatOx
b) gewickelte Faseranordnung

Gewickelter Oxygenator

Als Vorlage für die erste Strömungsuntersuchung mit diesem Verfahren diente der NeonatOx. Um den Oxygenator für das optisches Messverfahren zugänglich zu machen wurde ein transparentes Modell entwickelt. Die Fasern und alle relevanten Gehäuseteile bestehen dabei aus PMMA. Der Winkel zwischen den Fasern einzelner Schichten beträgt 24°. Um eine gute räumliche Auflösung zu erzielen wurde das Modell um einen Faktor S = 3,3 hochskaliert. Dabei wurde durch die Ähnlichkeitstheorie sichergestellt, dass das Strömungsbild gleich bleibt und die Ergebnisse übertragbar sind. Ebenfalls durch die Ähnlichkeitsparameter erfasst wurden die fluidmechanischen Eigenschaften des brechungsindexangepassten, transparenten Fluids. Ein dritter Ähnlichkeitsparameter berücksichtigt den Druckabfall über das Oxygenatormodell, über den die Ähnlichkeitstheorie verifiziert wurde. Für ein dreidimensionales Strömungsbild wurde 3C-PIV verwendet.

Abbildung 2:
a) Faseranordnung
b) PIV-Modell der gelegten Faseranordnung

Gelegter Oxygenator

Neben der gewickelten Faseranordnung wurde ebenfalls die in der Industrie weit verbreitete gelegte Anordnung von Fasermatten auf ähnliche Weise in einem dafür entwickelten Versuchsaufbau untersucht. Der Modellmaßstab beträgt hier 5,8 für eine gute Auflösung der Strömung zwischen den Fasern. Um eine Übertragbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten wurde bei der Konstruktion des Modells und auch bei der Wahl des transparenten Fluids die Ähnlichkeitstheorie berücksichtigt. Auch hier wurde 3C-PIV verwendet.

Validierung

Für die Validierung der vereinfachenden Annahmen aus der numerischen Strömungsuntersuchung muss zwischen einer makroskopischen und mikroskopischen Strömung differenziert werden. Die globale Strömungsverteilung zeigt Übereinstimmung hinsichtlich der Lage und Position der Stagnationsgebiete und Gebieten hoher Geschwindigkeiten. CFD berücksichtigt jedoch nicht die physikalische Existenz der Fasern und kann daher die mikroskopischen Effekte nicht auflösen.

Auf Basis dieser Erkenntnisse werden in Zukunft differenziertere Methoden für die numerische Strömungsberechnung entwickelt, um die zeit- und kostenreduktiven Vorteile von CFD in einem frühen Stadium der Produktentwicklung für künstliche Lungen voll ausnutzen zu können.

Abbildung 3:
a) Stromliniendarstellung im gewickelten Oxygenator
b) Geschwindigkeitsverteilung im gelegten Oxygenator

Publikationen

  • Schlanstein PC, Hesselmann F, Jansen SV, Gemsa J, Kaufmann TA, Klaas M, Roggenkamp D, Schröder W, Schmitz-Rode T, Steinseifer U, and Arens J. Particle image velocimetry used to qualitatively validate computational fluid dynamic simulations in an oxygenator: A proof of concept. Cardiovascular Engineering and Technology, pages 1–12, 2015

Kontakt

Dipl.-Ing. Peter Schlanstein

Tel: +49 241 80 89888

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