Hochauflösende Strömungsbildgebung und Gewebeanalyse mit der bildgebenden Kernspinresonanz

Abstract

The World Health Organization has been listing cardiovascular disease and its sequelae as one of the leading causes of death worldwide for several years in its annual report. In general this includes all disease that originates from the vascular system and / or from the heart. Due to the high patient rate, there is great interest in researching the exact processes and effects of the diseases on the tissue as well as on the flow behavior. These can be used to develop therapeutic options, but also to expand existing basic research. Microscopic magnetic resonance imaging has been shown to be a suitable tool to analyze flow behavior within 3D printed vessel models of different shapes and is therefore also used as a methodology in this work. Prepared tissue samples were successfully acquired with high resolution, allowing calcifications, potentially in vivo, to be visualized and compared with other samples. In addition, a program could be created, which allows the calculation of the inner free area in the tissue. This could be used to visualize possible changes in the tissue structure over a certain period of time, but also as a snapshot at the time of measurement. To analyze the flow behavior, Newtonian and non-Newtonian fluids are used. The initial measurements were performed with water as Newtonian fluid. Afterwards we were looking for a blood substitute solution which behavior is as close as possible to the behavior of blood. For this purpose, various xanthan mixtures with a xanthan amount between 75 mg and 1200 mg per liter of water were prepared and examined by rheometer, as well as by the time-of-flight method of MRI on its properties as a potency fluid. It could be shown that in the relevant shear range of our measurements (50-60 1 / s) the xanthan mixture is a good substitute for blood. The measurements with the phase contrast sequence were mainly performed on two types of vascular models. They were performed on an aneurysm model, as well as various stenosis models. The measurements allow the acquisition of the three-dimensional velocity profile of the different model geometries and thus a detailed representation of the spatial evolution of the shift of the velocity field after a change in the model. Subsequently, the deviation of the flow profile between the theoretical power law and the measured data were determined in order to get the distance in which the flow behaviour has returned to its normal state. Furthermore, a potential guideline may be established on how much further after the disturbance of the flow behavior the simulations should be performed depending on the specific alteration. This distance determination was carried out for three different categories. On the one hand the dependence of different stenosis degrees was examined. In addition, the flow rate was varied and on the other hand the concentration dependence was considered. An exponential or rather quadratic relationship could be determined empirically. Finally, the stenosis models and the aneurysm model were examined for their wall shear stress. This is an important criterion to better understand the changes in the vessel wall, such as aneurysms, as well as to estimate a potential rupture risk for the areas with differing wall shear stress. It could be shown that in general there are strongly increased values at the stenosis constrictions and also at the opposite wall. These sites are potentially highly vulnerable spots in the tissue that have an increased risk of breakthrough. Furthermore, these sites are susceptible to the formation of aneurysms.

Die Weltgesundheitsorganisation führt seit mehreren Jahren kardiovaskuläre Erkrankungen und deren Folgeerkrankungen als eine der häufigsten Todesursachen weltweit in ihrem jährlichen Bericht. Zu diesen Erkrankungen werden allgemein die Erkrankungen gezählt, die vom Gefäßsystem und bzw. oder vom Herzen ausgehen. Aufgrund der hohen Patientenrate ist ein großes Interesse vorhanden, die genauen Abläufe und Auswirkungen der Erkrankungen auf das Gewebe als auch auf das Strömungsverhalten zu erforschen. Diese können genutzt werden um verbesserte Therapiemöglichkeiten zu entwickeln, aber auch die bestehende Grundlagenforschung zu erweitern. Die mikroskopische Magnetresonanz-tomographie hat sich als ein geeignetes Mittel gezeigt, um das Strömungsverhalten innerhalb von 3D-Druck-Gefäßmodellen unterschiedlicher Form zu analysieren und wird daher auch in dieser Arbeit als Methodik verwendet. Präparierte Gewebeproben konnten erfolgreich hochauflösend aufgenommen werden und ermöglichen so Kalzifizierungen, potentiell in vivo, zu visualisieren und mit anderen Proben zu vergleichen. Zusätzlich konnte ein Programm erstellt werden, das die Berechnung der inneren freien Fläche im Gewebe ermöglicht. In Zukunft kann dies dazu genutzt werden um mögliche Veränderungen der Gewebestruktur über einen bestimmten Zeitraum, aber auch initial zum Messzeitpunkt sichtbar zu machen. Zur Analyse des Strömungsverhaltens wurden newtonsche und nicht-newtonsche Flüssigkeiten verwendet. Erste Messungen wurden mit Wasser als newtonsche Flüssigkeit vollzogen, um im Anschluss eine Blutersatzlösung zu finden, die dem Verhalten von Blut möglichst gut abbildet. Dazu wurden verschiedene Xanthan-Mischungen mit einer Xanthanmenge zwischen 75 mg und 1200 mg pro Liter Wasser hergestellt und mittels Rheometer, als auch mittels der Time-of-Flight-Methode der MRI auf seine Eigenschaften als Potenzfluid untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass in dem relevanten Scherbereich unserer Messungen (50-60 1/s) die Xanthan-Mischung ein gutes Substitut für Blut ist. Die Untersuchungen mittels der Phasenkontrastsequenz bei einer konstanten Strömung wurden hauptsächlich an zwei Gefäßmodelltypen durchgeführt. Sie wurden an einem Aneurysma-modell, als auch diversen Stenosenmodellen ausgeführt. Die Messungen ermöglichen die Erfassung des dreidimensionalen Geschwindigkeitsprofils der unterschiedlichen Modell-geometrien und so eine detaillierte Darstellung der räumlichen Entwicklung der Ver-schiebung des Geschwindigkeitsfeldes nach einer Veränderung. Im Anschluss wurden die Abweichungen des Flussprofils zwischen dem theoretischen Potenzgesetzes und den Messdaten bestimmt, um zu überprüfen nach welcher Distanz das Strömungsverhalten sich wieder seinem Normalzustand, vor der Veränderung, angenähert hat. Weiterhin ermöglicht es eine potentielle Richtlinie, wie weit Simulationen des Flussverhaltens in Abhängigkeit der Veränderung durchgeführt werden sollten. Diese Distanzbestimmung wurde für drei Kategorien durchgeführt. Zum einen wurde die Abhängigkeit unterschiedlicher Stenosegrade untersucht. Zudem wurde die Fluss-geschwindigkeit variiert und zum anderen wurde die Konzentrationsabhängigkeit betrachtet. Es konnte ein exponentieller bzw. quadratischer Zusammenhang empirisch festgestellt werden. Zuletzt wurden die Stenosenmodelle und ein Aneurysmamodell auf ihre Eigenschaft der Wandscherspannung untersucht. Dies ist ein wichtiges Kriterium um die Veränderungen der Gefäßwand, wie Aneurysmen, besser zu verstehen als auch ein Rupturrisiko für die Bereiche mit abweichenden Wandscherspannung abzuschätzen. Es konnte gezeigt werden, dass im Allgemeinen es zu stark erhöhten Werten an den Stenosenverengungen kommt, bzw. ebenfalls an der gegenüberliegenden Wand. Diese Stellen sind potentiell stark gefährdete Punkte im Gewebe, die ein erhöhtes Durchbruchrisiko aufweisen. Weiterhin sind diese Stellen anfällig für die Bildung von Aneurysmen.