Universitätsmedizin Rostock

Die Behandlung von zerebralen Aneurysmen kann mikrochirurgisch mittels Clipping oder endovaskulär mit sogenannten Coils oder Flowdivertern erfolgen. Um die Auswirkung der Implantation endovaskulärer Implantate auf die hämodynamischen Strömungscharakteristiken quantifizieren zu können, werden patientenspezifische Gefäßmodelle unter Einhaltung strömungsmechanischer Kennzahlen auf eine mit dem MRT messbare Größe skaliert und Modelle mittels moderner Rapid Prototyping Verfahren hergestellt. Angeschlossen an einen Strömungskreislauf kann so das Strömungsfeld innerhalb der Aneurysmen erfasst werden, um Aussagen über Veränderungen der betroffenen Gefäße treffen zu können. Im Fokus steht dabei auch die Entwicklung von Blutersatzfluiden, um in der experimentellen Untersuchung eine möglichst realitätsnahe Strömung abbilden zu können.

Lehrstuhl Mechatronik (Rostock)

In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Mechatronik der Universität Rostock werden verschiedene Optimierungsverfahren der Datenerfassung und Auswertung für den Einsatz in technischen MRV-Anwendungen untersucht. Mehrere Aspekte sind dabei von besonderem Interesse, Kernpunkt ist jedoch die Verkürzung der Messzeiten durch eine reduzierte Datenerfassung und die Nutzung iterativer Rekonstruktionsansätze (Compressed Sensing). (John et al. 2020; Rauh et al. 2021)

Veröffentlichungen

Framatome GmbH (Erlangen), Forschungszentrum Jülich, RWTH Aachen, Lehrstuhl Strömungsmaschinen (Rostock), Ontario Tech (Oshawa, Kanada), Los Alamos National Laboratories (Greenfield, USA)

Da die MRV in der Lage ist das 3D3C Geschwindigkeitsfeld zu erfassen, können diese Messdaten als ‚CFD grade data‘ bezeichnet werden und sind besonders für die Validierung von CFD-Codes geeignet. In einer Vielzahl von gemeinsamen Projekten ist dies deshalb Gegenstand der aktuellen Forschung, z.B. mit der Framatome GmbH (Bruschewski et al. 2021).

Darüber hinaus wurden in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich und dem RWTH Aachen Methoden zur Integration von MRV Messergebnissen in Lattice-Boltzmann-Simulationen entwickelt. Durch die Vereinigung experimenteller und numerischer Verfahren auf vollständig neuartige Weise können intrinsisch validierte und hochaufgelöste Strömungsdaten gewonnen werden (Morrison et al. 2020). Um diesen Ansatz weiter verfolgen zu können wird ein gemeinsames DFG-Projekt angestrebt.

Veröffentlichungen

Institut für ImplantatTechnologie und Biomaterialien e.V. (Rostock)

Für die Entwicklung neuer Implantate sind experimentelle Daten zur Untersuchung und Validierung der optimierten Entwürfe unerlässlich. In einer ersten Studie wurden verschiedene kardiovaskuläre Stent-Designs bei stationärer Strömung untersucht und die Ergebnisse mit numerischen Simulationen (CFD) verglichen (Oldenburg et al. 2019). Weitere Bestrebungen zielen darauf ab die Komplexität der Experimente zu erhöhen. Gemeinsam wurde ein portabler Strömungskreislauf zur Erzeugung pulsatiler Strömungen konzeptioniert und validiert, um zukünftig auch komplexere Implantate wie Herzklappen untersuchen zu können. Diese Kooperation hat in den letzten Jahren großen Anklang insbesondere für studentische Arbeiten sowohl in der Strömungsmechanik als auch in der Biomedizintechnik gefunden.

Veröffentlichungen

Institut für allgemeine Elektrotechnik (Rostock)

Das Institut für allgemeine Elektrotechnik arbeitet seit vielen Jahren an der Entwicklung medizinischer Sensorik, so auch an einem MRT-sicheren Sensor zur Erfassung der Vitalfunktionen während des Messbetriebes. Für die Marktzulassung sind dabei Sicherheitsexperimente nach ASTM-Standard notwendig. Bisher wurden deshalb immer wieder aktuelle Prototypen im MRT auf ihre Eignung untersucht und die Prüfverfahren weiter ausgebaut. Mittelfristig besteht das Ziel, die Experimente auf den ASTM-Standard zu bringen und es wird eine Zertifizierung als Prüflabor angestrebt.

TU Delft (Niederlande)

Zusammen mit Strömungsmechanikern der TU Delft wird an MRV-Messmethoden für kavitierende und partikelbeladene Strömungen gearbeitet. In einer ersten Studie wurde untersucht, inwieweit sich eine eigens entwickelte, hochgenaue Messsequenz (SYNC SPI, Bruschewski 2019) eignet, um Strömungen bis 15 m/s zu erfassen und den Dampfgehalt einer kavitierenden Strömung zu ermitteln (John et al. 2020). Es konnte eine signifikante Verringerung der systematischen Fehler gegenüber herkömmlichen MRV-Methoden gezeigt werden, wodurch eine Erfassung verwertbarer Daten bei so hohen Geschwindigkeiten überhaupt erst möglich wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren zeichnet sich diese Methode jedoch durch wesentlich längere Messzeiten aus. Anhand der Daten wurde deshalb eine erste eigene Studie zum Einsatz moderner Abtast- und Rekonstruktionsverfahren (Compressed Sensing) durchgeführt, mit der gezeigt werden konnte, dass bis zu 70% der Messzeit eingespart werden können (John et al., 2020).

In einer weiteren, gemeinsamen Studie wird nun das Strömungsfeld in einer mit bis zu 50% beladenen Partikelströmung untersucht.

Veröffentlichungen

PTB Berlin, DKFZ Heidelberg

Mit Hilfe spezialisierter MRV-Methoden ist es möglich, zusätzlich zum Geschwindigkeitsfeld weitere Parameter wie zum Beispiel das Temperaturfeld, die Beschleunigung und die stochastischen Schwankungsgrößen der Geschwindigkeit zu erfassen. In Zusammenarbeit mit den Partnern werden optimierte MRV-Methoden entwickelt und anhand experimenteller Daten aus konventionellen Methoden, zum Beispiel Laser-Doppler-Anemometrie (LDA), validiert (Bruschewski et al. 2021, Schmidt et al. 2021). Diese Messdaten sind äußerst hilfreich, um Fragen des Strömungswiderstandes, des Wärmetransports und der Mischung verschiedener Stoffe in strömungsmechanischen Maschinenkomponenten oder einer biologisch-medizinischen Strömung zu beantworten.

Veröffentlichungen

Stanford University (USA), U.S. Military Academy (USA), Mayo Clinic (USA), Hanyang University (Südkorea)

Das MRI Flow Lab ist seit 2019 Mitinitiator eines Wettbewerbs zur Evaluierung der MRV Messtechnik mit dem Ziel gemeinsame Standards zu schaffen. Dabei wird ein Messaufbau von Partner zu Partner geschickt und mit den jeweiligen Methoden und Geräten vor Ort unter den gleichen Randbedingungen vermessen. In der ersten Runde wurde zunächst eine stationäre Strömung in einem U-förmigen Kanal untersucht (Benson et al. 2020). Zurzeit läuft der zweite Durchgang an einem neuen Modell, bei dem die Komplexität der Messung durch eine periodische Einströmung in die Hauptströmung gesteigert wurden.

Veröffentlichungen

TU Wuppertal (Deutschland), University of Canterbury (Neuseeland), Framatome GmbH (Erlangen)

Da die MRV eine nicht-invasive Messtechnik ist, die außerdem keinen optischen Zugang zum Strömungsfeld benötigt, ist eine naheliegende Anwendung die Erfassung des Strömungsfeldes in porösen Medien, die mit konventionellen Messverfahren kaum realisierbar ist. Aufgrund der besonderen Eigenschaften der MRV ist es dabei nicht nötig, dass jede Pore räumlich aufgelöst wird, sondern es kann das räumlich gemittelte Geschwindigkeitsfeld innerhalb des Mediums erfasst werden. Zusammen mit den Partnern werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten und die Grenzen des Verfahrens untersucht, insbesondere im Bereich der Filtertechnik. In einem kürzlich eingereichten Projektentwurf gemeinsam mit der Framatome GmbH sollen insbesondere Methoden zur Untersuchung des Zusetzens der Filter in einem Brennelementfuß entwickelt werden.

Tel Aviv University (Israel)

Strömungsablösungen tragen erheblich zum Fahr- und Flugverhalten von Fahrzeugen aller Art bei. Aktuell gibt es deshalb eine Vielzahl von Forschungsprojekten weltweit, die darauf fokussiert sind diese Ablösungen kontrollieren zu können. Eine Möglichkeit, die dabei intensiv untersucht wird, ist der Einsatz sogenannter Strömungsaktuatoren. Durch kleine Kanäle wird eine fluktuierende Strömung erzeugt und in die Hauptströmung gelenkt, wodurch das Ablöseverhalten verändert werden kann.

Ein Einsatz dieser Technik ist unter anderem zur Steuerung des Ablöseverhaltens an Tragflächen und Rudern von Luft- und Wasserfahrzeugen denkbar. Der Vorteil der MRV gegenüber laseroptischen Verfahren bei der Untersuchung der dadurch erzeugten Strömungsfelder besteht darin, dass in Verknüpfung mit Rapid-Prototyping-Verfahren eine Vielzahl an Konfigurationen der Strömungskontrolle innerhalb kürzester Zeit vermessen werden können. Um diesen Ansatz intensiver zu untersuchen wurde im August ein ERC-Advanced-Grant Antrag mit erheblicher Beteiligung des MRI Flow Lab eingereicht, dem eine zweijährigen gemeinsamen Betreuung eines Doktoranden am LSM voran gegangen ist.