ThromboSIM
Experimentelle und numerische Korrelation thrombogener Strömungsstrukturen an Herzklappenprothesen
- Abb. 1: Instationäre Umströmung einer Herzklappenprothese im THIA2
Nach wie vor ist die Gefahr der Thrombosierung das Hauptroblem bei implantierten mechanischen Herzklapenprothesen. Die Thrombenbildung an den Klappen kann nicht nur zu einer mehr oder weniger starken Stenosierung, sondern bei Lokalisation an den Lagerstellen zu einem völligen Versagen der Klappen führen. Dieses Problem kann auch nicht durch eine lebenslange Medikation mit Antikoagulantien behoben werden /1,2/.
Im Rahmen dieses Projektes soll eine Korrelation zwischen Ergebnissen aus in vitro Thrombogenitätsuntersuchungen und der Strömungsanalyse durch die Klappe mittels numerischer Simulation ermittelt werden. So soll ein effizientes Werkzeug zur Designoptimierung von Herzklappenprothesen geschaffen werden.
Stand der Forschung
In der Literatur wird davon ausgegangen, dass thromboembolische Komplikationen in erster Linie auf eine unphysiologische Strömungsführung und die damit verbundenen zu hohen (bzw. zu niedrigen) Scherbelastungen der korpuskulären Blutbestandteile zurückzuführen sind. Dabei sind zur Zeit jedoch weder die genauen Zusammenhänge noch die Grenzen der zulässigen Scherbelastungen vollständig geklärt. Die neuesten Ergebnisse für kritische Grenzen für die Hämolyse bezüglich der Belastungszeit und der Schubspannung in einem Couette-System wurden am Helmholtz-Institut ermittelt /3/. Klaus hat diese Untersuchungen auf die Thrombozytenschädigung ausgedehnt und Human- mit Schweineblut verglichen /4/.
Zur Zeit werden Klappen zur Verifikation ihrer Thrombogeneseeigenschaften ausschließlich im Tiermodell getestet, wobei die Wahl des Modells fraglich ist.
Entscheided für die strömungsbedingte Blutschädigung sind nach bisherigen Erkenntnissen sowohl die Höhe der Scherbelastung als auch die Belastungsdauer. In Bereichen hoher Scherung werden Blutkorpuskeln zerstört und Thrombozyten aktiviert. Die Scherbelastung bzw. die Schubspannung kann als Bindeglied zwischen berechenbaren Strömungsgrößen und dem physiologischen Prozess der Thrombenbildung angesehen dienen. Thromben bilden sich bevorzugt in Gebieten geringer Scherbelastung aus Blutbestandteilen, die einem zu hohen Schubspannungsniveau und/oder einer zu langen Expositionszeit ausgesetzt waren.
Methodik
Das Projekt ThromboSIM gliedert sich in zwei Bereiche. Zum Einen die in vitro Untersuchungen bei denen die Herzklappen in einem Prüfstand auf die Thrombogenese untersucht werden. Und zum Anderen der Analyse des Strömungsverhältnisse in der Klappe mittels transienter numerischer Strömungssimulation.
In Vitro Untersuchungen
- Abb. 2: Thrombosetester (THIA3)
Aufwendige Prüfstände, wie sie für herkömmliche Klappentestungen verwendet werden, sind für Thromboseuntersuchungen wegen ihres großen Volumens ungeeignet. Am Helmholtz - Institut wurde in der Vergangenheit schon ein Thrombose- tester (THIA) entwickelt, der an der Uniklinik in Halle erfolgreich für Vergleichsunteruchungen verschiedener Antikoagulanzien eingesetzt wurde /5/.
Für die im Rahmen dieses Projektes durchzuführenden in vitro - Thromboseversuche wird ein neuer Teststand (THIA II) entwickelt, der den anatomischen Gegebenheiten in der Aortenklappenregion nachempfunden ist. Für die Testung können verschiedene, nahezu physiologische Fluss- und Druckverläufe reproduzierbar eingestellt werden, um die Thrombenaktivierung bei verschiedenen Betriebspunkten zu untersuchen.
Zur Erfassung der intialen Thrombenbildung an den Herzklappenprothesen wird im Prüfstand eine Analyse der Klappenschlussgeräusche integriert.
Durch diese Vorgehensweise in vitro können reproduzierbare und mathematisch beschreibbare Randbedingungen für die Versuche eingestellt werden, die in der Strömungssimulation nachgebildet werden.
Numerische Strömungssimulation
- Abb. 3: Strömung um eine Dreiflügelprothese
Zur Evaluierung der strömungs- induzierten Blutschädigung und Thrombenaktivierung wird das Strömungsbild durch die Herzklappe mit numerischer Strömungssimulation berechnet. Das Anströmungsprofil und die Druckverhältnisse aus dem Prüfstand werden in der Berechnung für die entsprechende Herzklappen- prothese abgebildet. Als charakteristische Größe wird insbesondere die Scherbelastung ausgewertet, der die Blutkörperchen beim durchströmen der Klappe in Abhängigkeit von der Expositionszeit ausgesetzt sind. Um Einflüsse der Flügeldynamik auf die Strömung berücksichtigen zu können, wird die Klappendynamik in die transiente Simulation mit integriert.
Da es sich bei der Klappensimulation um sehr komplexe Geometrien handelt, ist es notwendig die berechneten Daten zu validieren, um gesicherte Aussagen trefen zu können. Im Rahmen der hier durchgeführten Simulationen geschieht dies über die PIV (Particle Image Velocimetry).
Ziele des Projektes
Primäres Ziel des Projekts ist die Klärung des Zusammenhangs zwischen Geometrie, Strömungsstrukturen und lokalem Thromboserisiko in mechanischen Herzklappenprothesen anhand der Korrelation von experimentellen und numerischen Daten. Desweiteren soll ein effizientes Werkzeug zur Designoptimierung von Herzklappenprothesen entwickelt werden, mit dem die Anzahl der Tierversuche vermindert werden kann.
URL: http://www.ame.hia.rwth-aachen.de/274.0.html?&L=sktjxgqjkrrzua