Fließvorgänge des Blutes vorausberechnen

Strömungsmechaniker der HTWK Leipzig und Chirurgen des Universitätsklinikums Leipzig kooperieren in der Aneurysmaforschung

Zum Wohle des Patienten bündeln die Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK Leipzig) und das Universitätsklinikum Leipzig ab sofort ingenieurwissenschaftliche und chirurgische Kompetenzen. Dazu arbeiten das Institut für Bio-Fluidmechanik (IBFM) an der HTWK Leipzig und die Klinik für Visceral-, Transplantations-, Thorax und Gefäßchirurgie der Universität Leipzig ab sofort interdisziplinär zusammen. Thema der Kooperation ist die Untersuchung und Simulation von Fließvorgängen in Aorten-Aneurysmen sowie die Interaktion von Gewebe und Stents. Zum Auftakt der Kooperation trafen sich heute der Institutsleiter Professor Dr.-Ing. Frank Preser, Fakultät Bauwesen der HTWK Leipzig, und der Klinikdirektor Professor Dr. med. Sven Jonas, Klinik für Visceral-, Transplantations-, Thorax- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Leipzig, zu einer Auftaktveranstaltung in der HTWK Leipzig.

Krankhaft erweiterte Hauptschlagadern (Aorten-Aneurysmen) sowie abnormale Ausbeulungen der artieriellen Gefäßwände können aufgrund ihrer Reißgefahr lebensbedrohlich sein. Der Patient kann innerlich verbluten.

Gefäßchirurgen „entlasten“ die geschädigten Wände der Arterien, indem sie ein Gefäßimplantat (Stent), einsetzen, der den Blutstrom am Aneurysma vorbeiführt. Wegen des immer noch hohen Risikos für den Patienten sind derartige Eingriffe jedoch nur dann vertretbar, wenn bereits ein Riss (Ruptur) aufgetreten oder absehbar ist. Im Vorfeld einer Operation ist es daher entscheidend, den Blutstrom im Bereich des Aneurysmas zuverlässig in Richtung, Geschwindigkeit und Druck abzuschätzen und dessen Verhalten vorauszusehen. Hierfür entwickeln die Ingenieure der HTWK Leipzig gemeinsam mit den Medizinern der Universität Leipzig eine geeignete Methode.

Mithilfe eines mathematischen Verfahrens Blutströmung simulieren

Zunächst verwenden die Wissenschaftler der HTWK Leipzig besonders hoch aufgelöste Computer- beziehungsweise Magnetresonanztomographie-Aufnahmen des Patienten. Das IBFM fügt hierzu mit einer speziellen Software die Datensätze zu 3D-Bildern zusammen, visualisiert und segmentiert, um sie dann als numerische Rechengitter in Finite-Elemente-Programme importieren zu können. Mithilfe komplizierter Rechenvorgänge mit verschiedenen Parametern bilden die Ingenieure die Interaktion von Gefäßwand und pulsierendem Blutdruck mit dieser mathematischen Methode ab. Auf dieser Basis berechnen sie, wie sich die Strömungsvorgänge des Blutes im Gefäß weiter entwickeln könnten.

Welcher Druck wirkt auf die gefährdete Stelle des Gefäßes, wenn ein Stent eingesetzt wird? Wo sollte der Stent eingesetzt werden, damit sich der Druck möglichst gleichmäßig verteilt? Diese Fragen versuchen die Ingenieure der HTWK Leipzig im Vorfeld, aber auch während einer Operation durch das so genannte Online-Monitoring zu klären. Der Mediziner erhält also eine Entscheidungshilfe bezüglich eines möglichen Reißens des Gefäßes, aber auch Empfehlungen über mögliche Stents, deren Form, Größe und Platzierung.

Für den Patienten bietet dieses Verfahren enorme Vorteile: Sein Chirurg kann viel genauer abschätzen, wie er das Aorten-Aneurysma zu behandeln hat. Mögliche Fehlentscheidungen können reduziert, Nachoperationen vermieden werden. Professor Frank Preser von der HTWK Leipzig sagt: „Mit den numerischen Methoden der Strömungsmechanik lassen sich invasive Eingriffe reduzieren!“

Professor Sven Jonas vom Universitätsklinikum ergänzt: „Mit der neuen Methode wollen wir das individuelle Risiko besser einschätzen. Gefährdete Patienten sollen frühzeitiger behandelt werden, anderen wird man eine Operation ersparen können. Die Zahl der Eingriffe wird deutlich zu reduzieren sein, was auch unter Kostengesichtspunkten nicht unerheblich ist. Die Gelegenheit aber, über die Grenzen des eigenen Faches hinaus Probleme anzugehen, in diesem Fall das Zusammenwirken von Medizinern und Ingenieuren, ist etwas Besonderes und wird uns allen ganz neue Sichtweisen ermöglichen.“

Die Kooperation der beiden Vertragspartner beginnt ab sofort und ist längerfristig angelegt.

Spezialisten auf beiden Gebieten

Mit den Vertragspartnern HTWK Leipzig und Universität Leipzig treffen Experten auf ihren jeweiligen Gebieten aufeinander. Das Institut für Bio-Fluidmechanik an der HTWK Leipzig forscht auf dem Gebiet der interdisziplinären numerischen Simulation hydrodynamischer Strömungsvorgänge. Dabei berücksichtigen sie insbesondere biomechanische Prozesse mit instationären und turbulenten Strömungserscheinungen in flexiblen Strukturen. Die Klinik für Visceral-, Transplantations-, Thorax- und Gefäßchirurgie am Universitätsklinikum Leipzig mit ihren rund 50 operierten Bauch-Aorten-Aneurysmen im Jahr zählt zu den Zentren in diesem Bereich. Die Stellung als universitäre Forschungseinrichtung macht es darüber hinaus möglich, neue Standards zu entwickeln. Theoretische Daten wie sie das IBFM zu liefern vermag, werden in der klinischen Anwendung auf den Prüfstand gestellt, ein ständiger Verfeinerungsprozess zum Vorteil der Patienten.

Weitere fachliche Informationen:
HTWK Leipzig:
Professor Dr.-Ing. Frank Preser
Leiter des Instituts für Bio-Fluidmechanik
(IBFM), HTWK Leipzig
Telefon: (03 41) 3076 6227
E-Mail: frank.preser@fb.htwk-leipzig.de
Universität Leipzig:
Professor Dr. med. Sven Jonas
Direktor Klinik und Poliklinik für Viszeral-, Transplantations-, Thorax- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Leipzig, Liebigstraße 20
Telefon: (0341) 97-17200
E-Mail: sven.jonas@uniklinik-leipzig.de
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