Multiphysical framework for the simulation of flow-related impedance changes in arteries

Ausgangslage
Kardiovaskuläre Erkrankungen zählen zu den führenden Todesursachen weltweit. Obwohl diese mehrere verschiedene Pathologien beschreiben, haben sie meist ähnliche Vorerkrankungen. Zu den wichtigsten Vorerkrankungen zählen Arteriosklerose, welche die Verhärtung der Arterienwand beschreibt, und Atherosklerose, welche die Verengung einer Arterie durch fettige Ablagerungen beschreibt. Frühzeitige Diagnose dieser Vorerkrankungen kann die Überlebenswahrscheinlichkeit eines Patienten deutlich erhöhen und im Idealfall dabei helfen eine kardiovaskuläre Krankheit zu verhindern, noch bevor sie auftritt. Derzeitige Diagnoseverfahren sind allerdings entweder invasiv, nicht verlässlich genug oder zu aufwändig und zu teuer.  

Impedanzplethysmographie (IPG) ist ein Kandidat für ein neues Standarddiagnoseverfahren für kardiovaskuläre Erkrankungen und deren Vorerkrankungen. Dabei wird ein Wechselstrom mit kleiner Amplitude in ein Körpersegment eingeleitet und die Bioimpedanz kontinuierlich ausgewertet. Die Impedanz ändert sich während des Herzzyklus, aufgrund des arteriellen Blutflusses und der Volumenänderung der Arterie. Die Interpretation der IPG-Signale ist zurzeit schwierig, da eine große Anzahl an Daten notwendig wäre, um die Korrelationen zwischen Blutfluss und Impedanzänderungen genauer zu untersuchen.

Ziel/Umsetzung
Ziel dieser Arbeit war es, ein numerisches Simulationsframework zu erstellen, in dem das IPG-Verfahren simuliert werden kann. Dies dient dazu, simulierte IPG-Signale zu generieren, um die nötige Anzahl an Daten für detaillierte Untersuchungen der Bioimpedanzänderungen bereitzustellen, ohne sämtliche Daten in klinischen Studien akquirieren zu müssen.

Das Framework erzeugt IPG-Signale basierend auf patientenspezifischen Parametern. Dazu werden die Beiträge der Volumenänderung der Arterie und der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit von Blut zu den Bioimpedanzänderungen während des Herzzyklus simuliert. Das Framework besteht aus einem Computational Fluid Dynamics (CFD)-Modul, in dem der arterielle Blutfluss simuliert wird, und einem Finite Element (FE)-Modul, in dem das IPG-Verfahren simuliert wird. Das CFD-Modul wurde im open-source Tool OpenFOAM implementiert und enthält ein neues Modell zur Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit von Blut. Der Beitrag zur Entwicklung und Implementierung dieses Modells war ebenfalls Teil dieser Arbeit. Das FE-Modul wurde im open-source Tool openCFS implementiert und enthält ein Data Interface, um die benötigten Ergebnisse der CFD-Simulationen zum FE-Modul zu transferieren.

Um das Framework zu validieren, wurde das Resultat einer patientenspezifischen Simulation mit einem gemessenen IPG-Signal des Patienten verglichen. Dabei wurde gezeigt, dass das simulierte Signal eine ähnliche Morphologie wie das gemessene Signal aufweist und nur kleine Unterschiede zwischen den Kurven sichtbar waren. Zusätzlich wurden die Erkrankungen Arteriosklerose und Atherosklerose in das Framework eingeführt. Dabei wurde gezeigt, dass sich die simulierten Signale abhängig vom Grad der eingeführten Erkrankungen verändern.

Motivation
Während meines Bachelorstudiums habe ich am Institut für Festigkeitslehre (IFL) als Studienassistent gearbeitet und war damit schon länger mit dem Institut vertraut. Meine Bachelorarbeit wurde von Dr. Jafarinia und Prof. Hochrainer (IFL) betreut und behandelte bereits das Thema der elektrischen Leitfähigkeit von menschlichem Blut. Während des Masterstudiums wurde mir dann die Möglichkeit eröffnet, die Arbeit meiner Bachelorarbeit in meiner Masterarbeit weiterzuführen. Ich habe mich dafür entschieden, da ich das Thema als sehr interessant empfand und die Betreuung meiner Bachelorarbeit durch Prof. Hochrainer bereits sehr geschätzt habe. Während meiner Masterarbeit konnte ich auch weiterhin mit Dr. Alireza Jafarinia und einem internationalen und interdisziplinären Team (LEAD Project) zusammenzuarbeiten.

Diesbezüglich möchte ich mich bei Prof. Hochrainer für die Betreuung meiner Masterarbeit bedanken, da er stets für mich verfügbar war und mich bei dieser Arbeit mit seiner Expertise kontinuierlich unterstützt hat.

Verfasser: Dipl.-Ing. Thomas Krispel, BSc
Betreuer:  Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Hochrainer