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Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik

Editor-in-Chief: Dössel, Olaf

Editorial Board Member: Augat, Peter / Haueisen, Jens / Jockenhoevel, Stefan / Lenarz, Thomas / Leonhardt, Steffen / Plank, Gernot / Radermacher, Klaus M. / Schkommodau, Erik / Schmitz, Georg / Stieglitz, Thomas / Boenick, Ulrich / Jaramaz, Branislav / Kraft, Marc / Lenthe, Harry / Lo, Benny / Mainardi, Luca / Micera, Silvestro / Penzel, Thomas / Robitzki, Andrea A. / Schaeffter, Tobias / Snedeker, Jess G. / Sörnmo, Leif / Sugano, Nobuhiko / Werner, Jürgen /

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1862-278X
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Volume 54, Issue 1 (Feb 2009)

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Volume 57 (2012)

Flussuntersuchungen an Strömungsphantomen im Vor- und Nachlauf stenoseförmiger Verengungen mittels geschwindigkeitskodierter MRT und numerischer Simulation der Fluiddynamik / Fluid studies on flow behaviour in narrowing vessels with PC-velocimetry and numerical simulations

Monika Lehmpfuhl
  • 1Northwestern Polytechnical University Xian, School of Electronics and Information Xi'an, PR China and TU Munich, International Graduate School of Science and Engineering (IGSSE), Munich, Germany
/ Chongyang Hao
  • 2Northwestern Polytechnical University Xian, School of Electronics and Information Xi'an, PR China
/ Petros Martirosian
  • 3University Hospital Tuebingen, Department of Diagnostic Radiology, Section Experimental Radiology, Tuebingen, Germany
/ Fritz Schick
  • 4University Hospital Tuebingen, Department of Diagnostic Radiology, Section Experimental Radiology, Tuebingen, Germany
Published Online: 2009-01-30 | DOI: https://doi.org/10.1515/BMT.2009.006

Zusammenfassung

Hintergrund: Die Fluiddynamik im Blutgefäß spielt eine bedeutende Rolle bei arteriellen Erkrankungen. Die PC-Velocimetrie, ein Magnetresonanz (MR)-Verfahren, stellt ein geeignetes Messverfahren zur Untersuchung von Blutgefäßen bezüglich deren Hämodynamik und Morphologie dar. Die Klassifizierung von Engstellen mittels MR-Techniken bleibt jedoch aufgrund des Signalverlusts durch turbulenten Fluss im Stenosebereich problematisch. Gefäßprothesen (Stents) verschlechtern die Bildqualität zusätzlich durch Suszeptibilitätseffekte und die HF-Abschirmung.

Material und Methode: Aus strömungsmechanischer Sicht haben Stenosen, Stents und Restenosen (d.h. erneute Verengung des Gefäßlumens im Bereich von Stents) vergleichbare Eigenschaften: Die Strömung wird innerhalb des Hindernisses beschleunigt und bildet nach einer bestimmten Länge, der sogenannten Einstromlänge, wieder ihr vorheriges Strömungsprofil aus. Anhand dieser, je nach Form des Strömungskörpers variablen Einstromlänge soll ein Ansatz entwickelt werden, Stenosen mittels MR-Bildgebung genauer zu klassifizieren. Dazu wurden vergrößerte, vereinfachte Stenosemodelle (Phantome) mittels PC-Velocimetrie untersucht und mit Computational Fluid Dynamics (CFD) nachgebildet.

Ergebnisse: MR- und CFD-Messungen zeigten den Einfluss der Stenoseform, besonders des Durchmessers. Mittels graphischer Analysen (Stromlinien- und Vektorgraphiken) konnte bei nichtpulsierendem Fluss und laminarer Strömung eine Einlauflänge von 6,7×Schrittweite ermittelt werden.

Diskussion: Stenosen und andere Gefäßverengungen sind mittels PC-Velocimetrie genauer klassifizierbar. Aus dem Flussverhalten in der Umgebung der Engstelle kann auf den Charakter der Stenose selbst geschlossen werden. Allerdings müssen noch andere Parameter wie Gefäßkrümmung, pulsierender Fluss, nichtnewtonsches Fließverhalten sowie elastische Eigenschaften der Gefäße in die Bestimmung der kritischen Einstromlänge miteinbezogen werden.

Abstract

Background: Fluid dynamics play an important role in arterial diseases. PC-velocimetry as a magnetic resonance (MR) method is a useful tool for the examination of blood vessels, in particular in haemodynamics and morphology. Due to signal loss caused by turbulent flow, classification of stenoses remains difficult. In the presence of metallic stents, susceptibility effects and RF-artefacts further deteriorate image quality.

Materials and methods: Regarding fluid dynamics, stenosis, stent and restenosis (i.e., re-closing of the vessel in areas with stents) have similar properties: the flow close to an obstacle is accelerated and after a specific length, the so-called reattachment length, it redevelops into its original flow profile. Depending on the shape of the obstacle and its reattachment length, a method is developed to classify stenosis using MR-imaging. Enlarged, simplified stenosis models (phantoms) were examined and were also modelled using computational fluid dynamics (CFD).

Results: MR- and CFD-measurements show influences of the stenosis shape, especially the diameter. In graphical analysis (streamline and vector plots), a reattachment length of 6.7×step size could be determined under laminar conditions and nonpulsatile flow.

Discussion: Stenosis and other narrowing of vessels are classifiable more exactly using PC-velocimetry. From the flow behaviour in the area around the narrowing of the vessel wall, the character of the stenosis can be derived. But more parameters, as bended vessel shapes, pulsated flow, non-Newtonian flow behaviour as well as elastic properties of the vessels need to be incorporated.

Keywords: Computational Fluid Dynamics; Einlauflänge; PC-Velocimetrie; Stent-Stenose-Quantifizierung; computational fluid dynamics; PC-velocimetry; reattachment length; stent-stenosis quantification

About the article

Korrespondenz: Dipl.-Ing. Monika Lehmpfuhl, Northwestern Polytechnical, University Xi'an, 127 Youyi Xilu, Xi'an 710072, Shaanxi, PR China


Received: 2008-04-24

Accepted: 2008-11-21

Published Online: 2009-01-30

Published in Print: 2009-02-01


Citation Information: Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering, ISSN (Online) 1862-278X, ISSN (Print) 0013-5585, DOI: https://doi.org/10.1515/BMT.2009.006.

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[1]
Stefan Scheuer, Frank G. Zöllner, Erik Tumat, and Lothar R. Schad
Zeitschrift für Medizinische Physik, 2010, Volume 20, Number 1, Page 34

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