Patientenspezifische Simulation von Blutfluss und Gefäßwand bei Aortenaneurysmen. Eine interaktive Neuauflage der Doktorarbeit von Dr.-Ing. Dilana Hazer.
Lattice Boltzmann auf der Grafikkarte: Hier rechnet die Strömung selbst, mit Wirbeln und Rückströmung im Sack, die eine Womersley-Formel nicht zeigen kann. Geometrie, Blutmodell und Stent-Graft kommen aus dem Simulator oben.
D2Q9-Gitter mit 384 Zellen entlang 130 mm (0,34 mm Zellweite), regularisierte Kollision mit Smagorinsky-Grobstrukturmodell (die Arbeit nutzte k-ε bei hohen Reynolds-Zahlen), Reynolds- und Womersley-Zahl wie im Körper. Ein ebener Längsschnitt ist kein Rohr: Wirbel in 2D leben länger als in 3D, die Werte sind qualitativ. Läuft in Zeitlupe, sichtbar ist die tatsächliche Simulationszeit.
Dieses Modell rechnet im Browser und ist bewusst reduziert: nichtlineare Membran-FE mit den hyperelastischen Materialgesetzen aus der Arbeit, gelöst je Meridian, und die exakte Womersley-Lösung mit starrer Wand für das Blut. Derselbe Rechenkern steckt im Python-Paket und ist dagegen geprüft. Das Original MoDiSim steuerte Abaqus, Fluent und Adina auf patientenspezifischen FE-Netzen aus CT- und MRT-Daten. Die Zahlen zeigen Größenordnungen und Trends, keine klinische Aussage.
Die Segmentierung der Schnittbilder lief in Mimics. Ab dem 3D-Modell automatisiert MoDiSim die Kette in fünf Komponenten mit je eigener Oberfläche.
Lumen, Thrombus und Stent aus CT- oder MRT-Schichten; die Wand erhält eine vorgegebene Dicke.
Mimics · vor MoDiSimOberflächen- und Volumennetze mit Grenzschichten und Größenfunktionen, netzunabhängig geprüft.
Gambit · TGridKonvertierung zwischen .vtk, .stl, .neu, .msh, .inp, .in mit FE-Sets für die Randbedingungen.
Konverter-BibliothekWandmechanik: hyperelastische Gesetze, dynamischer Druck, Shell-Elemente.
AbaqusBlutfluss: Navier-Stokes, Newton oder Carreau, k-ε bei Turbulenz, PISO.
FluentGekoppelte Blut-Wand-Interaktion mit ALE, Womersley-Einstrom und Auslass-spezifischen Drücken.
AdinaSieben Aortenmodelle (vier vom Menschen, drei vom Schwein), zehn Simulationen, validiert an drei Tierexperimenten.
MR-basiertes Bauchaortenaneurysma, fünf homogene Wanddicken. 0,3 mm dünner erhöht die maximale Spannung um 21,8 %, 0,3 mm dicker senkt sie nur um 14,0 %.
Quelle: Tab. 5.2, von-Mises-Spannung über den Herzzyklus
Drei Schweineaorten: dynamisches 4D-CT, Katheter-Druckmessung, Ultraschall-Fluss. RMS-Fehler zwischen Simulation und Messung:
| Modell | Methode | Durchmesser | Druck |
|---|---|---|---|
| 4D-CT-P1 | CSM | 1,7–2,7 % | – |
| 4D-CT-P2 | FSI | 1,9–2,5 % | 1,4 / 6,6 % |
| 4D-CT-P3 | FSI | 1,4–3,1 % | 1,0 / 4,8 % |
Quelle: Kap. 8.5; Durchmesser an fünf Querschnitten über 21 Herzphasen, Druck an zwei Messstellen
Flächengemittelte WSS im CT-Modell: 6,85 Pa in der Spitzensystole (t = 0,18 s), 0,28 Pa in der Diastole (t = 0,50 s). Je nach Phase liegen 88 bis 99,5 % der Wandzellen unter 0,5 Pa.
Quelle: Kap. 6.7.1, Abb. 6.16
Hyperelastische Polynom-Modelle mit Parametern aus Zug- und Biaxialversuchen der Literatur, das Modell der Schweine-Brustaorta in der Arbeit selbst gefittet, dazu ein linear-elastisches Vergleichsmodell. Sieben sind oben als Wand wählbar, der Thrombus nicht.
Messdaten vom Körper, ein physikalisches oder statistisches Modell, ein Werkzeug für die Klinik: das verbindet die Aorta-Arbeit mit allem, was danach kam.
Business Development für patientenspezifische 3D-Modelle aus CT und MRT, mit Mimics, der Software, mit der die Arbeit segmentiert wurde. Danach internationales Produktmanagement.
Universität Ulm, Medizinische Psychologie: multimodale Emotions- und Stresserkennung, kardiovaskuläre Risikoanalyse, Margarete-von-Wrangell-Habilitationsstipendium, Habilitation.
Physik und klinische Evidenz der TPS bei Alzheimer-Demenz und Morbus Parkinson.
Brain Stimulation 2025 · Bioengineering 2025 · J Neurol 2026
Dilana Hazer entwickelte MoDiSim am Institut für Anthropomatik der Universität Karlsruhe (Lehrstuhl Prof. Rüdiger Dillmann) und an der Diagnostischen Radiologie des Universitätsklinikums Heidelberg (Prof. Götz-Martin Richter), im DFG-Graduiertenkolleg 1126 „Intelligente Chirurgie“. Die Tierexperimente zur Validierung entstanden in Heidelberg, die Modellbildung während eines Forschungsaufenthalts an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh.
Das Ziel: ein System, das Radiologen und Chirurgen ohne Simulationswissen nutzen können, um Risiken an der erkrankten Aorta vorherzusagen und Stent-Grafts patientenindividuell zu planen.