AuthorsK. Jain
TitleTransition to Turbulence in Physiological Flows: Direct Numerical Simulation of Hemodynamics in Intracranial Aneurysms and Cerebrospinal Fluid Hydrodynamics in the Spinal Canal
AfilliationCenter for Biomedical Computing (SFF), Scientific Computing
Project(s)Center for Biomedical Computing (SFF)
StatusPublished
Publication TypePhD Thesis
Year of Publication2016
Date Published08/2016
PublisherUniPrint, University of Siegen
Place PublishedSiegen
ISBN Number978-3-936533-83-5
Abstract

Zusammenfassung

Die Verwendung moderner Supercomputer sowie numerischer Methoden hat es ermöglicht physiologische Strömungen zu simulieren. Hierdurch kann das Verständnis der Pathologie und Pathophysiologie verschiedener Phänomene im menschlichen Körper verbessert werden. Physiologische Strömungen können bereits bei geringen Reynoldszahlen (Re < 500) Turbulenz aufweisen. Im Besondern das Umschlagen des Strömungsregimes im Blutfluss intrakranieller Aneurysmen sowie der Zerebrospinalflüssigkeit (CSF) im Spinalkanal wird in dieser Arbeit thematisiert. Die Untersuchungen wurden dabei mit Hilfe numerischer Simulationen unter Anwendung der Lattice-Boltzmann Methode (LBM) in patientenspezifischen Fällen durchgeführt. Im ersten Teil werden dazu die grundlegenden Eigenschaften des Übergangs zur Turbulenz beschrieben sowie die angewandte LBM erläutert. Die Methodenvalidierung erfolgt anhand des Vergleichs von Simulationen pulsierender Strömungen durch verengte Querschnitte mit Literaturangaben. Darauf aufbauend wird dann das Verhalten von oszillierenden Strömungen und insbesondere die Transition zwischen laminaren und turbulenten Zuständen näher untersucht. Im zweiten Teil wird die Verbreitung und Pathophysiologie intrakranieller Aneurysmen dargelegt. Dazu werden Simulationen von hämodynamischen Strömungsübergängen in Aneurysmen präsentiert. Die geometrischen, morphologischen und fluiddynamischen Aspekte, die in Aneurysmen zum Umschlag laminarer Strömungen in turbulente führen, werden diskutiert, um daraus Folgerungen aus physiologischer Sicht ziehen zu können. Der dritte Teil der Arbeit widmet sich der Beschreibung der Pathologie und der damit verbundenen Pathophysiologie der Zerebrospinalflüssigkeit. Dieser Teil umfasst hydrodynamische Simulationen von CSF im Subarachnoidalraum eines gesunden Subjekts und zweier Patienten, die an der Chiari Malformation des Typs I leiden. Bei einem Patienten weist die Zerebrospinalflüssigkeit umschlagsähnliche Strömungscharakteristiken auf, während die Strömung des zweiten vii Patienten stark gestört ist. Beim gesunden Subjekt bleibt die Strö- mung hingegen laminar. Abschließend werden klinische Rückschlüsse aus den Umschlagseigenschaften der Strömung im Zerebrospinalfluid gezogen und umfassend diskutiert.

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