14. Charakterisierung von durchströmten Gefäßen (WIN-Programm)

14. Charakterisierung von durchströmten Gefäßen und der Hämo-
dynamik mittels modelt- und simulationsbasierter Fluss-MRI
(CFD-MRI)
Kollegiat: Dr. Mathias Joachim Krause1,2
Mitarbeiter: Marie-Luise Maier2, Albert Minte2, Peter Weisbrod1
1 Institut für Angewandte und Numerische Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie
2 Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Karlsruher Institut für
Technologie
Für zahlreiche medizinische Anwendungen ist eine akkurate Kenntnis der Strö-
mungsdynamik (Flussgeschwindigkeiten, Partikelbahnen, Drücke, Wandschub-
spannung, etc.) Grundvoraussetzung für Diagnostik, Medikation und Operati-
onsplanung. Eine Kopplung von Simulation und Messung (CFD-MRI) lässt bei
der Erfassung der Strömungsdynamik in komplexen patientenindividuellen Ge-
fäßgeometrien erhebliche Fortschritte hinsichtlich der Genauigkeit der Geome-
trie und Strömung erwarten, die selbst in Fällen geringen Bildkontrasts möglich
sind. Die Einbeziehung von strömungsdynamischer Modellierung und Simulati-
on (CFD) in die 3D-Fluss-MRI-Messtechnik zur detaillierten Charakterisierung
von durchströmten Gefäßen und Strömungen wurde bislang noch nicht unter-
sucht. Dazu erforderlich sind eine parameterbasierte Modellierung und das Lösen
eines nicht-linearen Optimierungsproblems, was mit enorm hohem Rechenauf-
wand einhergeht. Seit kurzem ist dies jedoch durch die Erforschung von paralle-
len Lattice Boltzmann-Methoden (LBM) - seit ca. 10 Jahren - und Adjungierten
LBM (ALBM) - seit ca. 3 Jahren - realisierbar.
Primäres Ziel des Vorhabens ist es, diese Methoden dahingehend weiterzu-
entwickeln, dass sie grundsätzlich für messtechnische Anwendungen, wie der
MRI, eingesetzt werden können. Damit wird die Qualität gemessener Fluss-
geschwindigkeiten, Partikelbahnen, Drücke, Wandschubspannungen und die
Auflösung der durchströmten Geometrie erhöht, was im medizinischen An-
wendungsszenario zu erheblichen Fortschritten führen wird. So könnte zum
Beispiel durch eine Reduktion des Kontrastmittels eine wesentlich patienten-
freundlichere Diagnostik ermöglicht werden. Außerdem könnten die Einsatz-
möglichkeiten des MRI grundlegend erweitert werden, so dass unbeantwortete
medizinische Fragestellungen, z. B. zu Perfusionsstörungen, angegangen werden
könnten. Auch öffnen sich neue Türen für Forschungen in anderen Gebieten
wie zum Beispiel der Verfahrenstechnik, wo CFD-MRI zur grundlegenden Er-
forschung von Prozessen in Membranfiltern oder von Biofilmablagerungen ein-
gesetzt werden könnte.
Die Kombination aus mathematischer Modellbildung mit Strömungssimu-
lation und MRI-Messtechnik zur Erforschung einer modell- und simulationsba-

291