Projektvorhaben P1 (Bereich Planung)

P1: Modellierung und Simulation von Aortenerkrankungen vor endovaskulärer Therapie

Projektleiter: Böckler, Dillmann, Kauczor
Betreuer: Geisbüsch, Müller-Eschner, Unterhinninghofen

Fragestellung des Projekts

Patientenspezifische Auswirkungen verschiedener Stent-/Endograft-Systeme auf die Hämodynamik und Gefäßwand bei der Therapie thorakaler und abdomineller Aortenaneurysmen sollen untersucht werden. Da das Langzeit-Outcome der endovaskulären aortalen Rekonstruktion (EVAR) immer noch mit einer erhöhten Komplikationsrate (Endoleakagen, Materialermüdung, Endograftkollaps, Device-Migration u.a.) einhergeht, ist eine simulationsbasierte Verbesserung der Therapieplanung erwünscht, die jedoch mit einer Weiterentwicklung der Stent- und Endograftsysteme einhergehen muss.

Ziele, Arbeitsprogramm und Methoden

Ziel ist die Erstellung patientenspezifischer, strömungs- und strukturmechanischer Simulationen der Aorta. Der Workflow, bestehend aus Bildgebung, Segmentierung, Netzgenerierung und fluid-struktur-gekoppelter Simulation, wird optimiert und softwaretechnisch integriert. Von besonderer Bedeutung ist die Automatisierung der Segmentierung des Gefäßlumens und der Gefäßwand. Die CT-Angiographie erlaubt gut aufgelöste Darstellungen der Gefäßwandmorphologie. Da die MRT zusätzliche Flussinformationen zur Initialisierung der Simulation aufnehmen kann, soll auch sie als bildgebende Modalität eingebunden werden.

Für verschiedene Stent-/Endograft-Typen werden strukturmechanische Modelle erstellt, die dann am Bildschirm in das Patientenmodell eingesetzt werden. Über die anschließende Simulation lassen sich wichtige Parameter zu Druck- und Flussbelastungen sowie zu Wandspannungen und -kräften im Zusammenspiel von Stent und Aortenwand gewinnen.

Die Evaluation der Ergebnisse zielt auf der einen Seite auf die Validierung der berechneten Werte, z.B. durch Vergleich mit punktuell per Katheter in Phantomen und (ausgewählten) Patienten gewonnenen Druckwerten. Ebenso lässt sich die Biomechanik durch die Quantifizierung der Gefäßwanddeformation, basierend auf 4D-CT oder 4D-MRT, verifizieren. Auf der anderen Seite werden die Ergebnisse bei verschiedenen Stent-/Endograft-Typen und verschiedenen Platzierungen evaluiert.

Technisches Dissertationsthema

Vorgesehen ist zunächst die Entwicklung von automatischen Segmentierungsverfahren für das Gefäßlumen und die aortalen Wandstrukturen unter Berücksichtigung bestehender Pathologien. Die Herausforderung liegt insbesondere in den hohen Präzisionsanforderungen, da bereits geringfügige Ungenauigkeiten bei pathologisch veränderten Gefäßen großen Einfluss auf das Simulationsergebnis haben können. Darauf aufbauend sollen anschließend aus Modelldaten der Stent-/Endografthersteller geeignete strukturmechanische Simulationsmodelle erstellt werden, die dann in das ADINA-basierte Simulationssystem integriert werden. 

Medizinisches Dissertationsthema

Validierung der Simulationen am Phantom mittels einer aus Hausmitteln beschafften MR-kompatiblen Flusspumpe (CardioFlow 5000 MR, Shelley, Canada) und einem aufwändigen Flussphantom sowie intraluminaler Druckmessung. Durch die Anbindung patienten-spezifischer 3D („Rapid-Prototyping“) Modelle sollen die Ergebnisse der Simulation unter physiologischen Bedingungen validiert, und die Akquisitionsprotokolle optimiert werden. Weiterhin soll in einer Translations- und Integrationsstudie bei Aortenerkrankungen (Aneurysma, Typ B-Dissektion) gefäßchirurgischer Patienten der klinische Nutzen der Simulation evaluiert werden.

Verknüpfungen von P1 mit anderen Projekten des GRK 

• Projekt P2: Zusammenarbeit bei der Entwicklung der virtuellen Simulationsumgebung
• Projekt P2: Zusammenarbeit bei der Entwicklung strukturmechanischer Gewebemodelle