14. Charakterisierung von durchströmten Gefäßen (WIN-Programm)

74. Charakterisierung von durchströmten Gefäßen und der Hämo-
dynamik mittels modeii- und simulationsbasierter Fluss-
MRI (CFD-MRI): Verbesserung des Modellsystems und erste
Machbarkeitsstudie zur Anwendung in der Medizin
Kollegiat: Dr. Mathias Joachim Krause1-2
Mitarbeiter: Albert Mink2, Benjamin Förster1, Fabian Klemens1
1 Institut für Angewandte und Numerische Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie
(KIT)
2 Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Karlsruher Institut für Technolo-
gie (KIT)
Einleitung zum Vorhaben
Während die grundlegende Methodenentwicklung im ersten Förderjahr für das
Forschungsteam um den Kollegiaten im Vordergrund stand, erfolgte im zweiten
Jahr die Verbesserung des Modellsystems. Eine erste vielversprechende Studie
zur Anwendbarkeit der CFD-MRI Methode auf reale Messdaten aus der Medizin
wurde ebenfalls erstellt. Im Folgenden werden die neuen Erkenntnisse zusam-
mengefasst und zum besseren Verständnis in das Gesamtvorhaben eingeordnet.
Gegenstand des Forschungsprojektes und Zielsetzung
Für zahlreiche medizinische Anwendungen ist eine akkurate Kenntnis der Strö-
mungsdynamik Grundvoraussetzung für Diagnostik, Medikation und Operati-
onsplanung wünschenswert. Genaue Strömungsdaten sind jedoch mit aktueller
Mess- und Simulationstechnik nicht in der gewünschten Genauigkeit zugänglich.
Eine Kopplung von Simulation und Messung (CFD-MRI) lässt jedoch erhebliche
Fortschritte bei der Erfassung der Strömungsdynamik in komplexen patientenin-
dividuellen Gefäßgeometrien erwarten.
Bei der CFD-MRI wird zunächst eine Strömungsflussmessung mit einer Ma-
gnetresonanztomographie (MRI) durchgeführt. Die im Allgemeinen verrauschten
Messergebnisse stellen zeitlich und örtlich gemittelte Durchschnittswerte dar. Sie
sind zugleich Lösung eines Strömungsproblems, welches durch ein mathemati-
sches Modell beschrieben werden kann. Die Kenntnis des Modells macht sich das
CFD-MRI Verfahren zu Nutze, um zum einem das Rauschen durch numerische
Strömungssimulation (CFD, engl. computational fluid dynamics) herauszurech-
nen und zum anderen von Durchschnittsbildung ausgehend auf feine Strukturen
der Geometrie zu schließen. Man erhält so ein fein aufgelöstes Bild der Strömungs-
geschwindigkeiten mit zugehöriger Geometrie, welches den Messergebnissen
entspricht, Messartefakte aber eliminiert und in Bezug auf das Strömungsmodell
sinnvoll ist. Die Funktionsweise ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt.

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