DE102005035181A1 - Blood flow representation method involves representing three dimensional flow data and wall loadings in blood vessels using lattice-Boltzmann method - Google Patents

Blood flow representation method involves representing three dimensional flow data and wall loadings in blood vessels using lattice-Boltzmann method Download PDF

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Abstract

3D grey-value data from MRT or CT are binary segmented using suitable algorithms. 3D vessel shapes are then used for a resolved numeric simulation of the flow in cubic calculated grids with lattice Boltzmann resolution. The required boundary conditions are supplied from databases or individual non-invasive measurements. Wall dynamics can be simulated as required. Items, such as implants etc., can be identified. An independent claim is included for a system for use with the above method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung von zeitabhängigen, räumlich dreidimensionalen Strömungsdaten in fluidführenden Gefäßen unter Verwendung der Lattice-Boltzmann-Methode, bei dem dreidimensionale Gewebestruktur-Daten auf regelmäßigen Datengittern (Geometrie-Voxeldaten) des darzustellenden Gefäßbereichs einschließlich dessen Wandung, d.h. deren geometrische Struktur darstellende Dichtedaten, verwendet werden und ebenfalls regelmäßige isotrope Rechengitter (Voxel-Gitter) für die Gefäßdarstellung und für die Bestimmung des Strömungsverlaufs ausgewählt werden, wonach der Verlauf der Fluidströmung in zeitlichen Schritten bestimmt wird.The The invention relates to a method for displaying time-dependent, spatial three-dimensional flow data in fluid-carrying Vessels under Using the Lattice-Boltzmann method, in the three-dimensional Tissue structure data on regular data grids (Geometry voxel data) of the vascular area to be displayed including its Wall, i. their density data representing their geometric structure, are used and also regular isotropic computational grid (Voxel grid) for the vessel representation and for the determination of the flow pattern selected after which the course of the fluid flow in temporal steps is determined.

Die Ermittlung eines Strömungsfeldes, insbesondere in einem Gefäßsystem, ist sehr aufwendig. Für die hydrodynamische Bestimmung müssen die Geometrie des durchströmten Gebiets, die Ein- und Ausström-Randbedingungen und die Bedingungen an dessen Wänden gegeben sein. Die Ein- und Ausström-Randbedingungen umfassen zeitabhängige Angaben zum Druck und, insofern bekannt, zu den Geschwindigkeiten und im Falle turbulenter Strömungen auch noch zu den Spannungen. Diese Angaben müssen die räumliche und zeitliche Abhängigkeit der Strömung in einer ausreichenden Genauigkeit enthalten.The Determination of a flow field, especially in a vascular system, is very expensive. For the hydrodynamic determination must be the Geometry of the perfused Area, the inlet and outlet boundary conditions and the conditions on its walls be given. The inlet and outlet boundary conditions include time-dependent Details of the pressure and, as far as known, the speeds and in the case of turbulent flows even to the tensions. This information must be the spatial and temporal dependence the flow contained in sufficient accuracy.

Blutströmungen durch Adern, insbesondere Aortenzweige und weitere größere Arterien, sind von einer starken pulsierenden Kom ponente und von komplizierten Strömungsmustern in der Nähe von Bifurkationen, Krümmungen sowie Malformationen (Erweiterungen oder auch Verengungen) geprägt. Die Gefäßwände sind schnellen elastischen Deformationen im Herzpuls-Rhythmus ausgesetzt, was für die Hämodynamik je nach Lage und Zustand der Gefäße eine wesentliche Rolle spielen kann. Die Modellierung der mechanischen Eigenschaften dieser Gefäßwände ist nicht eindeutig und es ist besonders schwierig, individuelle und ortsspezifische Korrekturen einzuführen, da die gekoppelte Bestimmung der Wand- und Blutdynamik wesentlich aufwendiger als die Behandlung jeder der beiden dynamischen Prozesse allein ist und weil die Beschaffenheit von Gefäßwänden ein allgemein schwieriges, noch offenes Forschungsgebiet darstellt. Die Verifikation durch direkte Messungen ist auch durch die räumlich und zeitlich sehr hohe erforderliche Auflösung erschwert.Bloodstreams through Veins, especially aortic branches and other larger arteries, are from one strong pulsating component and complex flow patterns near of bifurcations, curvatures as well as Malformationen (extensions or also constrictions) coined / shaped. The vessel walls are exposed to rapid elastic deformations in the cardiac pulse rhythm, what kind of hemodynamics depending on the position and condition of the vessels one play an essential role. The modeling of the mechanical Properties of these vessel walls is not unique and it is particularly difficult to individual and introduce site-specific corrections, since the coupled determination the wall and blood dynamics much more complex than the treatment of each of the two dynamic Process alone is and because of the nature of vessel walls generally difficult, yet open research area. The verification by direct measurements is also by the spatially and temporally very high required resolution difficult.

Im Bereich der Computational Fluid Dynamics (CFD) verfügbare Standardverfahren zur direkten numerischen Simulation (DNS) inkompressibler Strömungen, meistens unter Anwendung von Finite-Volumen-Verfahren (FVM), ebenso CSM-Verfahren (computational structure mechanics) unter Anwendung von Finite-Elemente-Verfahren (FEM), bei denen eine Diskretisierung mit unstrukturierten Rechengittern des Strömungsvolumens und der Gefäßwände durchgeführt wird, ermöglichen die Durchführung aufgelöster 3D-Simulationen der Durchströmung von größeren Blutgefäßen unter Einsatz insbesondere von CT-Daten. Die Ergebnisse solcher Simulationen sind detaillierte dynamische Informationen über Strömungsstörungen und Wandbelastung, die in den medizinischen Meßdaten selbst nicht enthalten sind. Die Durchführung derartiger Berechnungen mit den benannten Verfahren stellt hohe Anforderungen an die untersuchenden Personen und ist außerordentlich zeitaufwendig, sie kann z.B. für eine Geometrie eine Woche dauern. Eine Vereinfachung der Simulationsverfahren bleibt durch die unentbehrlichen weitgehenden Modellannahmen immer auf spezifische Gefäße, einfache Geometrie der Malformationen und enge Parameterbereiche stark eingeschränkt.in the Computational Fluid Dynamics (CFD) available standard methods for the direct numerical simulation (DNS) of incompressible flows, mostly using finite volume method (FVM), as well CSM method (computational structure mechanics) under application of finite element method (FEM), where a discretization is performed with unstructured calculation grids of the flow volume and the vessel walls, enable the implementation resolved 3D simulations of the flow from larger blood vessels below Use of CT data in particular. The results of such simulations are detailed dynamic information about flow disturbances and wall loading, the in the medical data themselves are not included. The execution of such calculations with the named procedure places high demands on the examining Persons and is extraordinary time consuming, it may e.g. For a geometry take a week. A simplification of the simulation methods always remains due to the indispensable far-reaching model assumptions on specific vessels, simple Geometry of malformations and narrow parameter ranges severely limited.

Mit wesentlich aufwendigeren Verfahren, die auf dem Doppler- oder dem Time-of-Flight-Prinzip aufgebaut sind und dabei auf dem allgemeinen mathematischen Apparat der Tomographie basiert sein dürfen, wie z.B. Phasenkontrast-MRI oder z.B. Doppler-Ultraschall-Anemometrie, können auch einzelne Geschwindigkeitskomponenten und Durchschnittsgeschwindigkeiten, also ein Teil der relevanten kinetischen Information, aufgenommen werden. Die Auflösung ist in meisten Fällen gering, so daß nur das Gesamtvolumen, das ein bestimmtes Lumen pro Zeiteinheit durchströmt, mit hinreichender Zuverlässigkeit gemessen werden kann. Lokale Störungen, starke Gradienten und Turbulenz können nicht quantitativ zuverlässig identifiziert werden, obwohl ihre Spuren und Einflüsse mit manchen Verfahren entdeckt werden können. Eine allerdings eingeschränkte 3D-Information mit guter Auflösung liefert auch das nichtinvasive DSA-Verfahren (Digital Substraction Angiography), ein Standardverfahren für die Ermittlung der kinetischen Blutstrominformation vor und während der Gefäßchirurgie. Dagegen kann dynamische Information, d.h. die zeitabhängige Kraftbilanz, bei Blutgefäßen entweder nur indirekt oder wie bei Blutdruck auch direkt aber dann invasiv und nur für einen Teil der Kräfte gemessen werden. Kein zur Zeit verfügbares Meßverfahren, weder indirekt noch in situ, ist in der Lage, 3D-aufgelöste dynamische Messungen zu liefern.With much more elaborate procedures based on the Doppler or the time-of-flight principle and at the same time on the general mathematical apparatus of tomography be based such as. Phase-contrast MRI or e.g. Doppler ultrasound velocimetry, can also individual speed components and average speeds, So a part of the relevant kinetic information, added become. The resolution is in most cases low, so that only the total volume that flows through a given lumen per unit time, with sufficient reliability can be measured. Local disturbances, strong Gradients and turbulence can not quantitatively reliable be identified, although their traces and influences with some methods can be discovered. However, limited 3D information with good resolution also provides the non-invasive DSA (Digital Substraction Angiography) method, a standard procedure for the determination of the kinetic blood flow information before and during the Vascular Surgery. In contrast, dynamic information, i. the time-dependent force balance, at Blood vessels either only indirectly or as with blood pressure also directly but then invasive and only for one Part of the forces be measured. No currently available measuring method, neither indirect still in situ, is able to perform 3D-resolved dynamic measurements too deliver.

Bei Blutgefäßen liegt das medizinische Hauptinteresse nicht so sehr auf der Geschwindigkeitsverteilung, als auf der damit verbundenen Verteilung von Druck und Scherspannung an der Gefäßwänden. Es ist der Medizin wohlbekannt geworden, daß große Abweichungen der Scherspannungen zur Restrukturierung, Remodellierung und möglicherweise zur Beschädigung der Gefäßwände, beispielsweise im Zusammenhang mit Sklerose, Stenose, hohem Blutdruck und ähnlichen Erkrankungen, führen, die das Leben der Betroffenen behindern und auch direkt bedrohen. Für die Diagnostik dieser Art von Gesundheitsbedrohungen kann aber auch die Analyse der Geschwindigkeitsverteilungen selbst gut gebraucht werden. Noch wichtiger ist es, daß die Rolle des Drucks (z.B. bei Aneurysmen offensichtlich ein Hauptfaktor, der zu Rupturen führen kann) und des Wirbelfeldes wenig bekannt ist und deswegen leichter und besser zu analysieren sein soll als bisher.In blood vessels, the main medical interest is not so much the velocity distribution as the associated distribution of pressure and shear stress on the vessel walls. It has become well known in the art that large variations in shear stresses lead to restructuring, remodeling, and possibly damage to the vessel walls, for example, in connection with sclerosis, stenosis, high blood pressure, and the like hamper the lives of those affected and threaten them directly. For the diagnosis of these types of health threats, however, the analysis of the velocity distributions themselves can be well used. More importantly, the role of pressure (eg in aneurysms obviously a major factor that can lead to rupture) and the vertebral field is little known and should therefore be easier and better to analyze than before.

Zunehmend wird in der Fluidmechanik die Bestimmung komplexer Strömungen unter Einsatz der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) durchgeführt, die auf einer regelmäßigen Gitterstruktur basiert. Die Zellen eines solchen Gitters können mittels Hochleistungsrechnern vergleichsweise schnell verarbeitet werden. So wurde beispielsweise von T. Zeiser in "Numerische Simulation reaktiver Strömungen in komplexen Geometrien mit der Lattice Boltzmann Methode", LSTM-Jahresbericht, 2001 eine Geometrie-Modellierung vorgestellt, die auf einer Abbildung realer Proben aus Rohrbündelreaktoren mittels 3D-Röntgen-CT auf ein kartesisches Voxelgitter beruht.Increasingly In fluid mechanics, the determination of complex flows is under Using the Lattice Boltzmann method (LBM) performed, the on a regular grid structure based. The cells of such a grid can by means of high performance computers be processed comparatively quickly. So for example by T. Zeiser in "Numerische Simulation of reactive flows in complex geometries with the Lattice Boltzmann method ", LSTM Annual Report, 2001 a geometry modeling presented on a picture of real samples from tube bundle reactors using 3D X-ray CT based on a Cartesian voxel grid.

In der DE 100 50 063 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art zum rechnergestützen Ermitteln eines Strömungsfeldes in dem Atemweg eines Tieres vorgeschlagen worden, um die Strömungseigenschaften der ein- und ausgeatmeten Luft durch den Nasenraum eines Patienten zu ermitteln und bei einer strukturellen Änderung des Atemwegs die voraussichtlich entstehenden Strömungseigenschaften innerhalb des veränderten Atemwegs zu ermitteln. Dabei werden die Wände des Nasenraums durch Segmentierungstechniken zu zusammenhängenden CT-Bild-Elementen bis zur Genauigkeit der Voxel-Geometrie erkannt. Für jedes CT-Bild wird ein kartesisches Gitter gebildet und so das Bild in einzelne Gitterelemente unterteilt, wobei unter diesen Gitterelemente unterschieden werden, die sich innerhalb des durch die Struktur definierten Innenraums, also im Atemweg, befinden und für diese Gitterelemente ein Strömungsfeld ermittelt. Aus der gegebenen Beschreibung des Verfahrens ist zu schließen, daß nur eine einfache, Voxel-basierte Behandlung der Haftrandbedingungen an den Wänden der Atemwege, z.B. mit dem Bounce-back-Verfahren, in Frage kommt und die Krümmung der Wände nur stufenweise, der Auflösung der CT-Daten entsprechend dargestellt werden kann. Besonders bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten wird dies zu einer großen Fehlerquelle. In der medizinischen Praxis ist das gesamte Verfahren zur Simulation des Atemvorgangs jedenfalls derzeit nicht anwendbar, da die zur zuverlässigen Berechnung der verhältnismäßig schnellen Luftströmung (hohe Reynoldszahlen) benötigten Rechenzeiten immer noch sehr groß sind.In the DE 100 50 063 A1 For example, a method of the type mentioned above has been proposed for the computer-aided determination of a flow field in the respiratory tract of an animal in order to determine the flow properties of the inhaled and exhaled air through the nasal cavity of a patient and, in the case of a structural change in the airway, the expected flow characteristics within the altered one Airway to determine. The walls of the nasal cavity are recognized by segmentation techniques to coherent CT image elements to the accuracy of the voxel geometry. For each CT image, a Cartesian grid is formed, thus dividing the image into individual grid elements, distinguishing among these grid elements located within the interior space defined by the structure, ie in the airway, and determining a flow field for these grid elements. From the given description of the method it can be concluded that only a simple, voxel-based treatment of the adhesive edge conditions on the walls of the respiratory tract, for example with the bounce-back method, comes into question and the curvature of the walls only gradually, the resolution of the CT data can be displayed accordingly. Especially at higher flow rates, this becomes a major source of error. At any rate, in medical practice, the entire method for simulating the breathing process is currently not applicable, since the calculation times required for the reliable calculation of the relatively fast air flow (high Reynolds numbers) are still very great.

Zur Behandlung zerebraler Aneurysmen mit einem porösen Stent ist von B. Chopard, "A Lattice Boltzmann Study of Blood Flow in Stented Aneurysmen", SCS Seminar – Computational Hämodynamics, Universität Amsterdam, 13. Oktober 2003 als Maßnahme für die Strömungsreduktion eine Darstellung der Blutströmung mittels der Lattice-Boltzmann-Methode vorgeschlagen worden. Dabei handelte es sich aber um eine zwei-dimensionale Simulation, die für keine reale klinische Anwendung eine genügende Erfassung der individuell vorliegenden Gefäßgeometrie ermöglicht und sogar grundsätzliche Strömungseffekte, die mit dem dreidimensionalen Charakter der Blutströmung zusammenhängen, falsch einschätzt. Bisher sind bei Anwendungen der Lattice-Boltzmann-Methode auf Blutbahnen jedoch nur ein einziges quaderförmiges Gitter und ein einfaches Rechenschema für die Simulation der Strömungsvorgänge eingesetzt worden.to Treatment of cerebral aneurysms with a porous stent is by B. Chopard, "A Lattice Boltzmann Study of Blood Flow in Stented Aneurysms ", SCS Seminar - Computational Hemodynamics, university Amsterdam, October 13, 2003 as a measure for the flow reduction a presentation the bloodstream been proposed by the Lattice-Boltzmann method. there but it was a two-dimensional simulation, the for none real clinical application a sufficient capture of the individual present vessel geometry allows and even fundamental ones Flow effects, that are related to the three-dimensional nature of blood flow, wrong estimates. So far, in applications of the Lattice-Boltzmann method on bloodstreams but only a single cuboid Grid and a simple calculation scheme used for the simulation of the flow processes Service.

Die US 2003/0060988 A1 befaßt sich mit der Analyse des Einfüllens in Gießformen, wobei die Lattice-Boltzmann-Methode aufgrund der schnellen Rechenzeit und ihrer Eignung für eine große Anzahl von Diskretisationspunkten angewendet wird. Das darin beschriebene Rechenverfahren ist allerdings nur für Strömungen mit relativ niedrigen Geschwindigkeiten gut geeignet, z.B. aufgrund der geringeren Anzahl von Freiheitsgraden und der Herleitung der Randbedingungen, es ist sehr kompliziert und es ist an sich nicht geeignet, fortgeschrittene Blutrheologie-Modelle zu behandeln.The US 2003/0060988 A1 himself with the analysis of the filling in molds, the Lattice Boltzmann method due to the fast computation time and their suitability for a big Number of discretization points is applied. The one described therein Calculation method, however, is only for flows with relatively low Speeds well suited, e.g. due to the smaller number of Degrees of freedom and the derivation of the boundary conditions, it is very complicated and it is not suitable in itself, advanced To treat blood rheology models.

Besonders die Herz-, Gefäß- und Neurochirurgie macht von neueren technischen Entwicklungen und immer genaueren, effizienteren vorzugsweise minimal-invasiven Verfahren Gebrauch, um dreidimensionale (3D) medizinische Daten auszuwerten und zu interpretieren. Die zur Zeit für die klinische Praxis üblichen Tomo graphiedaten, die üblicherweise auf Ultraschall-, Magnetfeld- und Röntgenstrahl-Messungen basieren (Die Erfindung soll aber nicht auf diese beschränkt sein.), enthalten Dichte-Informationen, die danach durch sogenannte Segmentierung vorwiegend in geometrische Information umgewandelt wird. Die Auflösung dieser Verfahren verbessert sich in der gegebenen Reihenfolge, da die minimal auflösbare Länge proportional zur Strahlungswellenlänge ist. Zur Zeit ist eine isotrope Auflösung von ca. 0,4 mm mit Mehrschicht-Röntgen-CT erreichbar, eine etwas gröbere und dennoch vergleichbare (ca. 1 mm) Auflösung mit MRI. Dies bedeutet, daß Gefäße mit Lumendurchmessern von mindestens 1–2 bzw. 3–4 mm detektiert werden können. Das Verhältnis zwischen der Auflösung, die für die Erkennung einer Ader ausreicht, und der, die für eine Bestimmung der Strömungsdynamik und besonders der Wandbelastung (durch Messungen oder Simulationen) mindestens gebraucht wird, ist etwa 1:10.Especially Cardiac, vascular and neurosurgery makes of newer technical developments and ever more precise, more efficient, preferably minimally invasive, procedures, To evaluate and interpret three-dimensional (3D) medical data. At the moment for the clinical practice usual Tomo graphiedaten, which usually on ultrasound, magnetic field and X-ray measurements (However, the invention should not be limited to this). contain density information, which afterwards by so-called segmentation predominantly converted into geometric information. The resolution of this Procedure improves in the given order as the minimum resolvable Length proportional to the radiation wavelength is. At present an isotropic resolution of approx. 0.4 mm can be achieved with multilayer X-ray CT, a little coarser and yet comparable (about 1 mm) resolution with MRI. This means, that vessels with lumen diameters from at least 1-2 or 3-4 mm can be detected. The relationship between the resolution, the for the Detecting a vein is sufficient, and that necessary for a determination of the flow dynamics and especially the wall load (by measurements or simulations) is needed at least 1:10.

Es ist also noch nicht möglich, detaillierte Analysen des Blutstromverlaufs und von dessen Zusammenhang mit der Entwicklung von Gefäßanomalien nur anhand medizinischer Meßverfahren durchzuführen. Andererseits hat eine Vielfalt von medizinischen Untersuchungen verschiedene Aspekte festgestellt, bei denen Änderungen im Blutstromverlauf die Entstehung und Weiterentwicklung von Gefäßmalformationen provozieren. Zum Verständnis und zur Behandlung von Gefäßbeschädigungen sind detaillierte Kenntnisse über den Blutströmungsverlauf und des Einflusses mechanischer Belastungen auf die Deformation wichtiger Blutgefäße notwendig. Wünschenswert wäre daher ein Verfahren, das gleichzeitig effizient und einfach Strömungsverhältnisse nachbilden und detaillierte hämodynamische Information erstellen kann.It is not possible yet detailed analyzes of the bloodstream and its relationship with the development of vascular anomalies only by medical measurement perform. On the other hand, has a variety of medical examinations Various aspects have been identified in which changes in the blood flow course the Provoke formation and development of vascular malformations. For understanding and for the treatment of vascular damage are detailed knowledge about the blood flow course and the influence of mechanical loads on the deformation is more important Blood vessels necessary. Desirable would be therefore a process that simultaneously efficient and easy flow conditions emulate and detailed hemodynamic information can create.

Um individuell spezifische Merkmale der Gefäßgeometrie erfolgreich einzubeziehen, ist von A. Taylor, M. T Draney, J. P. Ku, D. Parker, B. N. Steele, K. Wang, and C. K. Zarins, "Predictive medicine: computational techniques in therapeutic decisionmaking", Computer Aided Surgery 4, 231 bis 247, 1999 eine Methode vorgeschlagen worden, mit der der Querdurchmesser des Lumens größerer Arterien anhand von MRI-Tomographie-Daten automatisch bestimmt und diese Information für 1D-Modellberechnungen des Blutstroms (nur entlang der Gefäßachse) durch diese Arterien benutzt wird, auch wenn Implantate (incl. Bypässe) vorhanden sind. Bisher ist diese Methode bei der AA (ascending aorta) in Tieren und Menschen getestet worden, also in einem Gefäß, das ausnahmsweise gerade und lang ist. Vergleiche mit MRI-basierter Anemometrie, veröffentlicht in B. N. Steele, J. Wan, J. P. Ku, T. J. R. Hughes und C. A. Taylor, "In vivo validation of a one-dimensional finite-element method for predicting blood flow in cardiovascular bypass grafts", IEEE Trans. Biomed. Eng. 50(6), 649 bis 655, 2003 und mit detaillierten numerischen 3D-Simulationen, veröffentlicht in V. Favier and C. A. Taylor, "Image-based modeling of blood flow in a procine aorta bypass graft", Ann. Res. Briefs, Center for Turbulence Research, Stanford Univ., 2002 haben gezeigt, daß manche gemittelte Größen gut reproduziert werden können, daß die räumliche Verteilung der mechanischen Spannungen und der Blutgeschwindigkeiten jedoch nicht vorhergesagt werden kann.Around to successfully integrate individually specific features of the vessel geometry, is from Taylor, M.T. Draney, J.P. Ku, D. Parker, B.N. Steele, K. Wang, and C.K. Zarins, "Predictive medicine: computational techniques in therapeutic decision making ", Computer Aided Surgery 4, 231-247, 1999 a method has been proposed with the transverse diameter of the lumen of larger arteries using MRI tomography data automatically determines this information and for 1D model calculations of the Blood flow (only along the vessel axis) through These arteries are used even if implants (including bypasses) are present are. So far, this method is at AA (ascending aorta) in animals and humans have been tested, so in a jar, for once just and is long. Comparisons with MRI-based anemometry, published in B.N. Steele, J.Wan, J.P. Ku, T.J.R. Hughes, and C.A. Taylor, "In Vivo Validation of a one-dimensional finite element method for predicting blood flow in cardiovascular bypass grafts ", IEEE Trans. Biomed. Eng. 50 (6), 649 to 655, 2003 and with detailed 3D numerical simulations, released in V. Favier and C.A. Taylor, "Image-based modeling of blood flow in a procine aorta bypass graft ", Ann. Res. Briefs, Center for Turbulence Research, Stanford Univ., 2002 have shown that some averaged sizes good can be reproduced that the spatial Distribution of mechanical stresses and blood velocities however, can not be predicted.

Die Simulation der Blutströmung mit Berücksichtigung realer Gefäßgeometrien, einschließlich beispielsweise von Implantaten wie Stents oder Aneurysmen, und deren Vernetzung (siehe z.B. M. S. Juchems, D. Pless, T. R. Fleiter, A. Gabelmann, F. Liewald, H. J. Brambs, A. J. Aschpoff, "Blutflußsimulationen mittels Computational-Fluid-Dynamics an aus CT-Daten rekonstruierten Aorten-aneurysmata vor und nach Stent-Graft Implantation", Fortschr. Röntgenstr. 176, 56 bis 61, 2004) macht Gebrauch von CT-Daten unter Einsatz von mindestens drei verschiedenen Auswertemethoden incl. Visualisierung. Das deklarierte Endziel der Entwicklung eines Verfahrens für simulationsgestützte medizinische Planung ist auf diesem Wege kaum erreichbar.The Simulation of blood flow with consideration real vessel geometries, including, for example of implants such as stents or aneurysms, and their networking See, for example, M.S. Juchems, D. Pless, T.R. Fleiter, A. Gabelmann, F. Liewald, H.J. Brambs, A.J. Aschpoff, "Blood Flow Simulations Using Computational Fluid Dynamics on aortic aneurysms reconstructed from CT data before and after Stent-Graft Implantation ", Fortschr. Röntgenstr. 176, 56 to 61, 2004) makes use of CT data of at least three different evaluation methods including visualization. The declared ultimate goal of developing a method for simulation-based medical Planning is hardly achievable in this way.

Die Diskretisierung des durchströmten Volumens bei dreidimensionaler numerischer Simulation (3D DNS) für CFD-Anwendungen findet entweder auf strukturierten oder auf unstrukturierten Gittern statt. Die Auswahl der Gitterart hat einen großen Ein fluß auf die Komplexität, die Genauigkeit und die Effizienz der Simulationen. Sie bedeutet unter anderem auch eine Auswahl konsistenter diskreter Darstellungen für das Volumen einerseits und für dessen Rand andererseits sowie die Kopplung dieser Darstellungen. Bei Blutgefäßen ist die Geometrie relativ kompliziert und das Verhältnis (in dynamisch relevanten Meßeinheiten) von Wandfläche zu Volumen ist relativ hoch, so daß die Notwendigkeit effizienter und zuverlässiger Kopplungsverfahren ausgeprägt ist.The Discretization of the perfused 3-D numerical simulation (3D DNS) volume for CFD applications finds either on structured or on unstructured grids instead of. The choice of the grid type has a great influence on the complexity, the accuracy and the efficiency of the simulations. Among other things, it means one Selection of consistent discrete representations for the volume on the one hand and for its Edge on the other hand, as well as the coupling of these representations. For blood vessels the geometry is relatively complicated and the ratio (in dynamically relevant measuring units) from wall surface to volume is relatively high, so that the need more efficient and more reliable Coupling method pronounced is.

Stukturierte Gitter, auf denen beispielsweise die Lattice-Boltzmann-Methode basiert, entstehen nach einer (groben) a priori Verteilung des Gesamtvolumens in benachbarte oder auch teilweise überlappende Einzelgebiete, die jeweils einem einfachen Körper, z.B. einem kubischen Würfel, diffeomorphisch sind. Dieser einfache Körper wird mit einem regelmäßigem, meistens orthogonalen Gitter (3D räumlich) bedeckt. Für solche Gitter stehen hochgenaue und hocheffiziente Algorithmen zur Verfügung, wie z.B. FFT, kompakte Finite-Differenzen, sowie polynomiale Zerlegungen hoher Ordnung, die z.B. bei der Konstruktion von p-FEM oder Spektral-Elemente-Verfahren verwendet werden. Dafür ist aber der Aufbau von strukturierten Rechengittern für komplexe Geometrien sehr aufwendig oder gar unmöglich ohne vereinfachende Annahmen. Auf unstrukturierten Gittern ist dagegen der Aufbau des Gitters weitgehend automatisierbar, da die restriktive Verteilung des 3D-Raumes vermieden werden kann. Dadurch können auch sehr komplexe Geometrien behandelt werden. Dies führt allerdings im Endeffekt zu höheren Kosten (zum Teil wegen niedriger Genauigkeit, wegen höherer algorithmischer Komplexität, usw.) während der Simulation.creating structured Lattices based on, for example, the Lattice-Boltzmann method are created after a (coarse) a priori distribution of the total volume in neighboring or partially overlapping Individual areas, each one simple body, e.g. a cubic Cube, are diffeomorphic. This simple body comes with a regular, mostly orthogonal grid (3D spatial) covered. For such grids are highly accurate and highly efficient algorithms for Available, like e.g. FFT, compact finite differences, and polynomial decompositions high order, e.g. in the construction of p-FEM or spectral element method be used. Therefore but is the structure of structured computing grids for complex Geometries very complicated or even impossible without simplifying assumptions. On unstructured grids, however, is the structure of the grid largely automatable, since the restrictive distribution of the 3D space can be avoided. Thereby can Even very complex geometries are treated. However, this leads in the end, to higher Cost (partly because of low accuracy, because of higher algorithmic Complexity, etc.) during the simulation.

Die Identifikation des Strömungsgebiets bei Simulationen der Hämodynamik in Blutgefäßen basiert auf einer Identifikation der Gefäßwände aus insbesondere CT-Daten, die Grauwert-Daten auf einem einfachen strukturierten Gitter darstellen und dessen Bearbeitung auf der Annahme ihrer ausreichenden Auflösung und in meisten Fällen auch ihrer räumlichen Glattheit beruht. Stan dardverfahren der Bildgebung wie z.B. der Marching-Cubes-Algorithmus können sehr schnell aus diesen Daten eine diskretisierte, approximierende Darstellung der Wandgeometrie, etwa als unstrukturierte 2D-Gitter, erstellen. Die Qualität diese Darstellung ist notwendigerweise eine Funktion der CT-Daten-Qualität, so z.B. wird bei einem Bias in der CT-Aufnahme ein lokaladaptives Schwellwert-Verfahren wie aus R. C. Gonzalez and R. E. Woods, "Digital image processing", Prentice Hall, 2002 notwendig. Die entstehende 2D-Triangulation der Wandoberflächen kann bei DNS auf unstrukturierten Gittern schon direkt für eine automatische 3D-Gittergenerierung benutzt werden. Bei strukturierten 3D-Gittern ist die Triangulation ein allein stehendes Objekt, dessen Verhältnis zum 3D-Rechengitter durch Kopplungsschemen verschiedener Art, Genauigkeit, Komplexität und Effizienz gestaltet werden kann. Unstrukturierte Gitter sind an die Randgeometrie angepaßt und müssen sich daher bei einer Bewegung der Wände mitverändern, was zu aufwendigen globalen 3D-Rechnungen, zur Notwendigkeit der Kontrolle des Deformationsgrades, möglicherweise zur Erzeugung und Löschung von Gitterelementen sowie zur Entstehung von mehreren Fehlerquellen, die mit diesen Operation verbunden sind, führt.The identification of the flow area in hemodynamic simulations in blood vessels is based on an identification of the vessel walls, in particular CT data, which represent gray value data on a simple structured grid and whose processing is based on the assumption of their sufficient resolution and in most cases also of their spatial smoothness , Standard methods of imaging, such as the marching cubes algorithm, can very quickly create a discretized, approximate representation of the wall geometry, for example as unstructured 2D grids, from these data. The Qua This representation is necessarily a function of the CT data quality, eg a bias in the CT scan will require a local adaptive thresholding method such as RC Gonzalez and RE Woods, Digital Image Processing, Prentice Hall, 2002. The resulting 2D triangulation of the wall surfaces can already be used directly on DNA on unstructured grids for automatic 3D mesh generation. For structured 3D grids, triangulation is a stand-alone object whose relationship to the 3D computational grid can be shaped by coupling schemes of various types, accuracy, complexity, and efficiency. Unstructured grids are adapted to the edge geometry and therefore have to change with a movement of the walls, resulting in complex global 3D calculations, the need to control the degree of deformation, possibly for the generation and deletion of grid elements and the emergence of multiple sources of error with these Operation connected leads.

Es besteht aber auch eine praktische Möglichkeit, das 2D-Gitter mit einem Lagrange'schen Verfahren bei jedem Zeitschritt zu verändern, ohne das 3D-Rechengitter modifizieren zu müssen. Es ist bemerkenswert, daß eine solche Art von Kopplung zwischen einem fixierten (Eulerschen) 3D-Gitter und einem Lagrange'schen "Wandgitter" ursprünglich in einem frühen Versuch von Peskin 1974, die Herzdynamik numerisch zu erfassen, entstanden ist, bei dem er die sich bewegenden Wände des Herzens als interne Grenzen verwendete. Dennoch sind fast alle bisherigen CFD-Anwendungen im Bereich der Hämodynamik, mit Ausnahme der Arbeiten von Peskin und seiner Schule, weit von diesem effizienten und natürlichen Ansatz entfernt geblieben. Derartige Ansätze bringen mit sich ein hohes Potential an Vereinfachung, Genauigkeitsverbesserung und Beschleunigung der Rechenverfahren, besonders bei strukturierten Rechengittern, da die Kopplung der beiden gekoppelten Gitter einfacher zu berechnen ist.It But there is also a practical way to use the 2D grid a Lagrangian To change the process at each time step, without the 3D computational grid to have to modify. It is noteworthy that one such kind of coupling between a fixed (Eulerian) 3D grid and a Lagrangian "wall grid" originally in an early one Peskin's attempt in 1974 to numerically record cardiac dynamics emerged, in which he called the moving walls of the heart as internal Limits used. Nevertheless, almost all previous CFD applications are in the field of hemodynamics, with the exception of the works of Peskin and his school, far from this efficient and natural Approach stayed away. Such approaches bring with it a high Potential for simplification, accuracy improvement and acceleration the calculation method, especially with structured computing grids, because the coupling of the two coupled grids is easier to calculate is.

Der oben erwähnte 3D-Euler-2D-Lagrange-Ansatz wurde unter dem Namen "immersed boundary method" technisch vielseitig entwickelt. Insbesondere wurde die ursprüngliche theoretische Einschränkung der Genauigkeit auf die erste Ordnung durch Verbesserungen am Algorithmus aus praktischer Sicht gelöst, so daß das gesamte Verfahren eine effektive Konvergenz "zweiter Ordnung" erreicht (Lai & Peskin (1999)). Ein systematischer Ansatz zur Kopplung der zwei Gitterarten (fixiertes 3D-Rechengitter für den Strömungslöser und 2D-Gitter für bewegte oder unbewegte Oberflächen komplexer Form, was auch auf Blutgefäß-Wände angewendet werden kann) wurde in den letzten Jahren unter dem Namen "immersed interface method" entwickelt und getestet. Es beruht auf einer möglichst genauen und scharfen Darstellung der Grenze zwischen dem Fluid und dem umgebenden Medium. Dagegen wird bei der Immersed-Boundary-Methode die Grenze absichtlich und kontrolliert auf eine "dünne Schicht verschmiert". Algorithmen beider Arten sind im Zusammenhang mit verschieden Diskretisationsverfahren (Finite-Differenzen, FVM, FEM) für das 3D-Rechengitter entwickelt und erprobt worden, nicht aber mit der Lattice-Boltzmann-Methode. Ihre Stabilität und Effizienz, insbesondere auch auf Parallelrechnern, ist in der Literatur bereits demonstriert worden.Of the mentioned above 3D Euler-2D Lagrange approach was named "immersed boundary method "technical versatile. In particular, the original was theoretical limitation accuracy to first order through improvements to the algorithm solved from a practical point of view, so that entire process achieves effective second-order convergence (Lai & Peskin (1999)). A systematic Approach for coupling the two types of grids (fixed 3D computational grid for the Flow solver and 2D grid for moving or stationary surfaces complex shape, which can also be applied to blood vessel walls) has been developed and tested in recent years under the name "immersed interface method". It is based on a precise as possible and sharp representation of the boundary between the fluid and the surrounding Medium. By contrast, the limit is the immersed boundary method deliberately and controlled on a "thin layer smeared. "Algorithms Both types are related to different discretization procedures (Finite differences, FVM, FEM) for The 3D computing grid has been developed and tested, but not with the Lattice-Boltzmann method. Your stability and efficiency, in particular even on parallel computers, has already been demonstrated in the literature Service.

Die Bestimmung der Größen, die es aus den durch die Simulation berechneten Druck- und Geschwindigkeitsfeldern zu berechnen und anschließend zu visualisieren und auszuwerten gilt, ist meistens einfach und schnell, obwohl es bei der Berechnung von räumlichen Ableitungen (die z.B. bei der Darstellung von Spannungen und Wirbel gebraucht würden) bei nicht ausreichender Auflösung zu Instabilitäten kommen kann. Um diese Probleme zu unterdrücken, werden zeitliche und räumliche Mittelung oder Glättung (Filterung) verwendet. Obwohl es eine Vielzahl von Visualisierungs-Softwarewerkzeugen gibt, die es erlauben, 3D-Strömungen darzustellen, steht nur selten, mindestens was kommerzielle Simulations-Software angeht, auch die Möglichkeit zur Verfügung, Glättungsoperationen per Mausklick durchzuführen.The Determining the sizes that it from the pressure and velocity fields calculated by the simulation to calculate and then visualizing and evaluating is mostly easy and fast, although it is useful in calculating spatial derivatives (e.g. needed in the representation of tensions and vortices) insufficient resolution to instabilities can come. To suppress these problems, are temporal and spatial Averaging or smoothing (Filtering) used. Although there are a variety of visualization software tools, which allow to represent 3D flows stands rarely, at least as far as commercial simulation software is concerned, also the possibility to disposal, smoothing operations to perform with a mouse click.

Schwieriger ist die Übertragung und mehrfache Visualisierung (etwa aus verschiedenen Sichtwinkeln) der großen Datenmengen, die bei DNS entstehen. Wie bereits bei der Visualisierung von Turbulenz oft praktiziert wird, kann der Aufwand bei der Visualisierung auf ein technisch sinnvolles Niveau reduziert werden, indem die bereits berechneten Größen vor der Visualisierung reduziert (projiziert, gemittelt, strobiert, etc.) werden. In der Literatur über Hämodynamik-CFD sind derartige Überlegungen leider noch nicht bekannt.More difficult is the transmission and multiple visualizations (from different angles) the big Datasets of DNA. As with the visualization Often practiced by turbulence, the overhead in visualization can be be reduced to a technically meaningful level by the already calculated sizes the visualization is reduced (projected, averaged, strobed, etc.). In the literature about Hemodynamic CFD are such considerations unfortunately not yet known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Darstellung von dreidimensionalen, zeitabhängigen oder auch Zeit-gemittelten medizinisch verwertbaren Daten anzugeben, das detaillierte Analysen des Blutstromverlaufs auch bei Gefäßanomalien sowie unter Berücksichtigung der Pulsationen – sowohl des gesamten Blutstroms wie auch ggf. der betroffenen Gefäßteile selbst – ermöglicht und auch bei komplexer Geometrie effizient durchführbar ist. Diese Aufgabe ist durch die Erfindung bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Verfahrensvarianten sind Gegenstand der Unteransprüche.Of the Invention is based on the object, a method for representation of three-dimensional, time-dependent or time-averaged medically usable data, the detailed analysis of the bloodstream even in vascular anomalies as well as considering the pulsations - both the entire blood stream as well as possibly the affected vessel parts themselves - allows and also with complex geometry is efficient feasible. This task is by the invention in a method having the features of the claim 1 solved. Advantageous process variants are the subject of the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Darstellung von dreidimensionalen Strömungsdaten in fluidführenden Gefäßen unter Verwendung der Lattice-Boltzmann-Methode werden somit dreidimensionale geometrische, unter Verwendung eines regelmäßigen, isotropen Gitters erzeugte Strukturdaten (Geometrie-Voxeldaten) des darzustellenden Gefäßbereichs einschließlich dessen Wandung verwendet. Dieselben Datengitter oder daraus vollautmatisch erzeugte regelmäßige isotrope Rechengitter (Voxel-Gitter) werden für die Gefäßdarstellung und für die Bestimmung des Strömungsverlaufs ausgewählt werden und der Verlauf der Fluidströmung wird in zeitlichen Schritten bestimmt. Ein oder mehrere zu untersuchende Gefäßabschnitte werden ausgewählt, weiter wird ein Bereich des Gefäßes aus den dreidimensionalen geometrischen Daten ausgewählt, der den oder die Gefäßabschnitte enthält und in dem die Strömungszustände dargestellt werden sollen. Die dreidimensionalen geometrischen Daten zur Darstellung der Gefäßwände werden segmentiert, die Ein- und Ausströmrandflächen des Gefäßbereiches werden festgelegt und die Gitterrastergröße des Rechengitters wird abhängig von den Abmessungen des ausgewählten Gefäßbereiches und den Parametern der darin stattfindenden Strömung ausgewählt. Das Rechengitter wird zerlegt und die Teile des Gitters werden eliminiert, die keine durch- oder angeströmten Voxel enthalten. Die zeitliche Bestimmung der Fluidströmung wird so lange durchgeführt, bis die Strömungsdarstellung ausreichend genau ist. Die für die Darstellung vorgesehenen, d.h. interssierenden Charakteristiken der Strömung und der mechanischen Belastung der Gefäßwände werden aus der Strömungslösung bestimmt und die Ergebnisse in für die Bildgebung oder Archivierung optimierte Datenstrukturen werden übertragen und gespeichert.In the method according to the invention for the representation of three-dimensional flow data in fluid-carrying vessels using the Lattice-Boltzmann method, three-dimensional geometric data (geometry-voxel data) of the vascular area to be displayed, including its wall, generated using a regular, isotropic grid are thus used. The same data grid or fully automatically generated regular isotropic computing grid (voxel grid) will be selected for the vessel representation and for the determination of the flow pattern and the course of the fluid flow is determined in temporal steps. One or more vessel sections to be examined are selected, further a region of the vessel is selected from the three-dimensional geometric data containing the vessel section (s) and in which the flow conditions are to be displayed. The three-dimensional geometric data representing the vessel walls are segmented, the inlet and outflow edge surfaces of the vessel region are determined, and the screen grid size of the computing grid is selected depending on the dimensions of the selected vessel region and the parameters of the flow therein. The computational grid is disassembled and the parts of the grid are eliminated that do not contain any traversed or incoming voxels. The time determination of the fluid flow is carried out until the flow representation is sufficiently accurate. The presentation, ie, the intersecting characteristics of the flow and the mechanical loading of the vessel walls are determined from the flow solution and the results in data structures optimized for imaging or archiving are transmitted and stored.

Die Schnittmenge des Gefäßvolumens mit dem Rand des gewählten Bereichs wird in Ein- und Ausströmrandflächen aufgeteilt und für jeden dazu gehörenden einzelnen, ununterbrochenen Flächenschnitt werden entsprechende Arten von Randbedingungen festgelegt. Diese benötigen zeitlich und räumlich aufgelöste Randdaten. Entsprechende Angaben können aus individuellen Messungen am Patienten errechnet oder auch bereits vorhandenen Datenbanken entnommen werden. Es gibt eine Vielzahl von publizierten Verfahren zur Ermittlung, signaltechnischen und statistischen Nachbearbeitung, Modellierung und Anwendung von solchen Daten. Es werden auch geeignete Volumenkräfte angenommen, die den pulsierenden Charakter der untersuchten Blutströmungen bestimmen und auf physiologischen Messungen basiert sind.The Intersection of the vessel volume with the edge of the chosen one Area is divided into inlet and outlet edge areas and for every one of them single, uninterrupted surface section appropriate types of constraints are set. These need temporally and spatially resolution Edge data. Corresponding information can be obtained from individual measurements calculated on the patient or even existing databases be removed. There are a variety of published procedures for the determination, signal-technical and statistical post-processing, Modeling and application of such data. It will also be suitable body forces assumed that determine the pulsating nature of the bloodstreams studied and based on physiological measurements.

Die Gitterrastergröße des Rechengitters wird abhängig von den Abmessungen des ausgewählten Gefäßbereiches ausgewählt und ist nicht zwangsläufig an die Größe der Geometriedaten gebunden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Möglichkeit der lokalen Verfeinerung sowie auch der Vergröberung des Gitter schrittes auf der Basis einer automatischen Gebietszerlegung und Geometrieanalyse sowie einer Angabe der voraussichtlichen Flußmengen vorgesehen.The Grid grid size of the grid becomes dependent from the dimensions of the selected vessel area selected and is not necessarily to the size of the geometry data bound. In the method according to the invention are the possibility the local refinement as well as the coarsening of the lattice step based on automatic area decomposition and geometry analysis as well an indication of the expected flow rates provided.

Für die zeitliche Bestimmung der Fluidströmung ist bei einigen Anwendungen eine stationäre (zeitunabhängige) Lösung der Strömungsaufgabe ausreichend, um diagnostische Aussagen zu beeinflussen. Eine solche Lösung ist einfacher und schneller als eine zeitperiodische (pulsierende) Lösung auszuführen. Die komplexe Berandung des Strömungsgebiets beeinflußt maßgeblich die gesamte Druck- und Massenflußverteilung und wird so in allen Fällen als erstes bestimmt. Zur Beschleunigung dieser Simulationsphase werden eine Linearisierung der Dynamik (Stokessche anstatt Navier-Stokes-Gleichung) und, falls sinnvoll, ein für LBM spezialisiertes Mehrgitter-Verfahren (Multigrid) verwendet. Falls erwünscht, wird daraus dann eine zeitabhängige Lösung berechnet, die durch angegebene, synchronisiert zeit-periodische Druckdifferenzen an den Ein- und Ausflußrändern und Volumenkräften im Inneren des Strömungsgebiets angetrieben wird. In dieser Simulationsphase haben die numerischen Iterationen die physikalische Bedeutung von Zeitschritten. Für LBM sind 100 bis 800 Schritte pro Pulsperiode je nach Genauigkeitsanforderungen ausreichend. Für den Kreislauf eines erwachsenen Menschen ist die Durchschnittsdauer einer Pulsperiode ca. 0,8 Sekunden, so daß jeder (explizite) Zeitschritt des LBM-Lösers etwa 1 bis 10 Millisekunden entspricht. Die Konvergenz aller interessierenden Größen auf einen zeitperiodischen Verlauf wird stets gemessen und die Simulation dann unterbrochen, wenn eine ausreichende Näherung an ein periodisches Verhalten erhalten wird oder ein Zeitlimit überschritten wird. Noch bei Simulationsanfang wird dem Benutzer automatisch angekündigt, welche Anzahl von simulierten Pulsperioden diesem Zeitlimit entspricht und ob diese nach vorhandenen Regeln und Heuristiken ausreicht, um die gewünschten Größen mit der gewünschten Genauigkeit berechnet zu können. So wird eine Optimierung des Rechenaufwands bereits vor der möglicherweise aufwendigen Simulation ermöglicht.For the temporal Determination of fluid flow is a stationary (time independent) solution for some applications Flow task sufficient, to influence diagnostic statements. Such a solution is easier and faster than a time-periodic (pulsating) solution. The complex boundary of the flow area affected decisively the entire pressure and mass flow distribution and is so in all cases determined first. To speed up this simulation phase become a linearization of dynamics (Stokessche rather than Navier-Stokes equation) and, if appropriate, one for LBM specialized multigrid method (Multigrid) used. If desired, it then becomes a time-dependent one solution calculated by specified, synchronized time-periodic Pressure differences at the inlet and outlet edges and volumetric forces in the Interior of the flow area is driven. In this simulation phase, the numeric Iterations the physical meaning of time steps. For LBM are 100 to 800 steps per pulse period depending on accuracy requirements sufficient. For the Circulation of an adult human is the average duration a pulse period of about 0.8 seconds, so that each (explicit) time step of the LBM solver about 1 to 10 milliseconds. The convergence of all those interested Sizes up a time-periodic course is always measured and the simulation then interrupted, if a sufficient approximation to a periodic Behavior is received or a time limit is exceeded. Still at Simulation start is automatically announced to the user, which Number of simulated pulse periods corresponding to this time limit and whether this is sufficient according to existing rules and heuristics, to the desired Sizes with the desired Accuracy calculated. Thus, an optimization of the computational effort before the possibly elaborate simulation allows.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann gemäß verschiedenen Alternativen entweder schnell oder hochgenau durchgeführt werden. Es können beispielsweise bewegte Wände simuliert werden, wobei das Verfahren genauer, aber wesentlich aufwendiger als bei der Annahme von starren Wänden ist. Bei kleineren und besonders bei intracraniellen (sich innerhalb der Schädelhöhle befindenden) Gefäßen sowie beispielsweise, wenn die Beschaffenheit der Gefäßwände unbekannt ist, kann auf die Mitberechnung der Wandbewegung verzichtet werden.The inventive method can according to different Alternatives can be done either fast or with high precision. It can, for example moving walls be simulated, the process more accurate, but much more complicated than when assuming rigid walls. For smaller and especially in intracranial (located within the cranial cavity) Vessels as well For example, if the nature of the vessel walls is unknown, may the computation of the wall movement be dispensed with.

Ein alternatives Einsatzszenario sieht vor, die Gefäßbewegung, die einschließlich von, aber nicht nur durch die Wandpulsation bestimmt ist, aus mehreren und somit Zeit-aufgelösten Tomographieaufnahmen zu ermitteln, anstatt sie als Teil der modellierten und simulierten Dynamik bei jedem Zeitschritt der Simulation neu berechnen zu müssen. Bei diesem Szenario ist also die Kopplung zwischen Fluid und Wand einseitig: Die Wandbewegung induziert eine Strömung, aus der die Wandbelastung dann ausgerechnet werden kann, diese Belastung wird aber dann nicht als Antrieb der weiteren Wandbewegung betrachtet und es wird keine Wandbewegung simuliert, da sie aus den Aufnahmesequenzen bereits bekannt ist.An alternative deployment scenario is vascular movement, including, but not only determined by the wall pulsation, to determine from multiple and thus time-resolved tomographic images, rather than having to recalculate them as part of the modeled and simulated dynamics at each time step of the simulation. In this scenario, therefore, the coupling between the fluid and the wall is one-sided: The wall movement induces a flow from which the wall load can then be calculated, but this load is not considered to drive the further wall movement and no wall movement is simulated since it is off the recording sequences is already known.

Wenn Wand-Scherspannungen bestimmt werden sollen, müssen die Wände mit hoher Genaugikeit dargestellt werden, wofür LBM-Randbedingungen zweiter Ordnung, die aus der Literatur bekannt sind, verwendet werden können. Diese und weitere, alternative Rechenverfahren im Wandbereich sind aufwendiger als das einfache Bounce-back-Verfahren (BBL) und führen im Gegensatz zu ihm zu einem geringen "Massenverlust" wärend der Simulation. Doch bei ausreichender Auflösung sind weder dieser Verlust noch der Fehler bei der diskretisierten Variante der Inkompressibilität der Strömung bedenklich. Bei gewissen Fragestellungen, z.B. Behandlungen von intracraniellen Aneurysmen oder bei Analysen der Durchströmbarkeit von ganzen Zweigen des Gefäßsystems, kann auf das BBL zurückgegriffen werden.If Wall shearing stresses must be determined, the walls must be displayed with high accuracy become, for what Second-order LBM boundary conditions known from the literature can be used. These and other, alternative calculation methods in the wall area are more complicated as the simple bounce-back method (BBL) and perform in the Contrary to him to a small "mass loss" during the simulation. But with sufficient resolution, neither this loss nor the error in the discretized variant of the incompressibility of the flow of concern. at certain issues, e.g. Treatments of intracranial Aneurysms or in analyzes of the flowability of whole branches the vascular system, can resort to the BBL become.

Meistens werden die dargestellten Gefäßabschnitte einen Gefäßstrukturteil enthalten. Hierunter sollen insbesondere Deformationen und Störstellen verstanden werden, beispielsweise Implantate oder Geometrieänderungen wie Aneurysmen und Stenosen. Diese können räumlich vorhanden sein oder anhand von gespeicherten Datensätzen synthesiert und in die Gefäßdarstellung eingebaut werden, um die sich entsprechend ergebenden Strömungs- und/oder Druckverhältnisse zu bestimmen. Umgekehrt können auch in der Realität vorhandene Gefäßdeformationen virtuell von der Gefäßdarstellung entfernt werden, um beispielsweise die Effizienz und die langfristigen Auswirkungen einer Erweiterung des durchströmbaren Lumens zu untersuchen. Letzteres kommt in Frage z.B. bei Kranzgefäßoperationen zur Linderung von Stenosen oder bei "Clipping" von Aneurysmen und von arteriellen Zweigen in der Neurochirurgie.Mostly become the illustrated vessel sections a vessel structure part contain. This is understood to mean in particular deformations and impurities For example, implants or geometry changes such as aneurysms and Stenoses. these can spatial be present or synthesized based on stored data records and into the vessel representation be installed to the corresponding resulting flow and / or pressure conditions to determine. Conversely, you can also in reality existing vascular deformations virtually from the vessel representation be removed, for example, the efficiency and the long-term To investigate effects of an extension of the flow-through lumen. The latter is suitable, e.g. in wreath vessel operations for relief of stenosis or "clipping" of aneurysms and of arterial branches in neurosurgery.

Die Verwendung ausschließlich von regelmäßigen 3D-Datengittern bei dem erfindungsgemäßen Verfahren führt zu einem Sprung in der Effizienz und der Standardisierung von simulationsgestützten Untersuchungen. Dies basiert auf den folgenden Merkmalen: Es werden dieselben und als ausreichend feinmaschig angenommenen Rastergitter direkt oder nach einer vollautomatischen und sehr schnellen Abbildung bzw. Interpolation in der Koordinatenrichtung, die der Hauptache des Aufnahmegeräts entspricht, auf kollineare, teilweise überlappende Gitter mit kubischen Voxeln verwendet. Diese Voxelgitter können dann für die Bestimmung des Strömungsverlaufs unmittelbar verwendet werden. Eine Spezifikation der Abbildung in Abhängigkeit von der Größe, Krümmung und Verzweigung der betrachteten Gefäßstruktur ist Bestandteil des Verfahrens. Es ist keine aufwendige geometrieangepaßte Generierung von unstrukturierten 3D-Rechengittern erforderlich, um alle Einzelheiten der Gefäßgeometrie mit guter Auflösung darzustellen. Dies hat dramatische Verminderungen der Komplexität und der Gesamtdauer der Simulation zur Folge.The Use only of regular 3D data grids in the method according to the invention leads to a leap in the efficiency and standardization of simulation-based investigations. This is based on the following characteristics: the same and as sufficiently fine-meshed raster grid directly or after a fully automatic and very fast mapping or interpolation in the coordinate direction, which is the main thing of the recording device, on collinear, partially overlapping lattices used with cubic voxels. These voxel meshes can then for the Determination of the course of the flow be used immediately. A specification of the figure in dependence from the size, curvature and Branching of the considered vessel structure is part of the process. It is not a complex geometry-adapted generation of unstructured 3D computing grids required to get all the details the vessel geometry with good resolution display. This has dramatic reductions in complexity and the Total duration of the simulation result.

Die Rekonstruktion der Gefäßgeometrie bezieht sich auf mehrere Raumteile, die sich in ihrem Abstand von der untersuchten Gefäßmalformation sowie auch in der jeweils benötigten Auflösung und Modellierungspräzision unterscheiden. Die Rekonstruktion ist schnell auf aktuellen Rechnern, kann aber nur teilweise automatisiert werden. Die Abmessung des zu untersuchenden Gefäßabschnitts, z.B. der Umfang einer Malformation selbst und der Raumteile von klinischem, Interesse in dessen Umgebung ist von individuellen Unterschieden in der Gefäßgeometrie und der Art und Ursachenlage der Beschwerden mitbestimmt und kann interaktiv bestimmt werden.The Reconstruction of the vessel geometry refers to several parts of the room, which are in their distance from each other the examined vascular malformation as well also in each required resolution and modeling precision differ. The reconstruction is fast on current computers, but can only be partially automated. The dimension of the to be examined vessel section, e.g. the extent of a malformation itself and the space parts of Clinical interest in its environment is due to individual differences in the vessel geometry and the type and cause of the disease codetermined and can be determined interactively.

Um eine robuste Strömungssimulation mit der beschriebenen Art von regelmäßigen Gittern bei allen zu erwartenden Geometrien zu ermöglichen, wird eine angepaßte Variante der Lattice-Boltzmann-Methode zum Einsatz gebracht, bei der das Rechengitter zerlegt wird und die Teile des Gitters eliminiert werden, die keine durch- oder angeströmten Voxel enthalten. Im Vergleich mit CFD-Standardverfahren wird dadurch einerseits eine hohe Effizienz auch auf hochparallelen Rechnerarchitekturen und andererseits weniger Abhängigkeit von der Komplexität der Geometrie und des Rechengitters erzielt.Around a robust flow simulation with the described kind of regular grids at all too will allow for expected geometries an adapted one Variant of the Lattice Boltzmann method used, at the computational grid is disassembled and eliminates the parts of the grid which do not contain any perfused or infused voxels. Compared On the one hand, with CFD standard methods, this also results in a high level of efficiency on highly parallel computer architectures and on the other hand less dependence from the complexity achieved the geometry and the computing grid.

Der gesamte Arbeitsvorgang kann anhand von Meßdaten vollzogen werden, die ausschließlich mit minimal-invasiven und nicht-invasiven Verfahren erfaßbar sind.Of the entire work process can be performed on the basis of measurement data, the exclusively with Minimally invasive and non-invasive procedures are detectable.

Das Verfahren liefert vierdimensional (zeitlich und 3D räumlich) aufgelöste Vorhersagen über den Verlauf der Blutströmung durch Arterien in der Nähe von typischen Malformationen wie Stenosen oder Aneurysmen. Dadurch können auftretende mechanische Belastungen und der Zusammenhang zwischen Gefäßgeometrie, Hämodynamik und Wandbelastung, die durch physiologische Wandmodellierung wiederum die Gefäßgeometrie beeinflußt, untersucht und besser vorhergesagt werden.The Method provides four-dimensional (temporal and 3D spatial) resolution Predictions about the Course of blood flow through arteries nearby of typical malformations such as stenoses or aneurysms. Thereby can occurring mechanical loads and the relationship between Vessel geometry, hemodynamics and wall load, in turn, through physiological wall modeling the vessel geometry affected examined and better predicted.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei der individualisierten Untersuchung möglicher mechanischer Ursachen, die mit der ge nauen Raumstruktur der Blutgefäße eines Patienten verbunden sind, für die Entstehung von Gefäßmalformationen und dessen Weiterentwicklung angewendet werden. Aufgrund der hohen Effizienz können so Diagnose und Prognose individuell für mehrere Patienten an einem Tag mit hämodynamischen Daten unterstützt werden, die wesentlich umfangreicher und detaillierter im Vergleich zu direkten Messungen sind und darüber hinaus keine zusätzliche Manipulationen am Patienten erfordern. Es ist ein regulärer klinischer Einsatz der Strömungsuntersuchungen und auch nachträgliche Kontrollen von Untersuchungsdaten möglich.The inventive method can at the individualized investigation of possible mechanical causes, which are connected to the exact spatial structure of the blood vessels of a patient, for the development of vascular malformations and its further development. Because of its high efficiency, diagnostics and prognosis can be individually supported for multiple patients on a single day of hemodynamic data, which is significantly more extensive and detailed compared to direct measurements and, moreover, does not require additional manipulation of the patient. It is a regular clinical use of the flow studies and also subsequent checks of examination data possible.

Die direkte Verwendung von Tomographiedaten im regelmäßigen Voxelformat erlaubt eine einfache und gleichzeitig zuverlässige Untersuchung der Wirkung bereits im Körper befindlicher Implantate (Stents, Coils, usw). Da Modelle für die biomechanische Reaktion von Blut (etwa durch Koagulation oder Verdünnung) und von Gefäßwänden auf mechanische Spannungen zur Verfügung stehen, kann die Wahrscheinlichkeit von klinisch wichtigen Folgen der Einführung von Implantaten durch eine Serie von Simulationen individuell eingeschätzt werden. Beispiele solcher Folgen sind die Hyperplasie und Restenose, die Wochen nach einer Stentimplantation auftreten können, die erwünschte Verdichtung eines Aneurysmenlumens infolge einer durch Implantate (z.B. GDC) verursachten Blutkoagulation oder die später mögliche unerwünschte Rekanalisierung des Aneurysmenlumens, sowie in jedem Fall eine Gefahr von Embolien stromabwärts von dem Ort des Implantats.The direct use of tomography data in regular voxel format allows a simple and reliable investigation of the effect already in the body implants (stents, coils, etc.). Because models for the biomechanical Reaction of blood (such as coagulation or dilution) and from vessel walls mechanical stresses available can stand, the likelihood of clinically important consequences the introduction of implants can be individually assessed through a series of simulations. Examples of such consequences are hyperplasia and restenosis, which Weeks after a stent implantation can occur, the desired compression of an aneurysmal lumen as a result of implants (e.g., GDC) caused blood coagulation or the later possible unwanted recanalization of the aneurysm lumen, and in any case a risk of embolism downstream from the location of the implant.

Eine weitere wichtige Anwendung ist die "virtuelle Angioplastie", die eine detaillierte Vorhersage der klinischen Folgen von geplanten, aber noch nicht operativ durchgeführten Einsätzen von Implantaten oder von vasoplastischer Chirurgie erlauben wird. Die tomographisch aufgenommene Gefäßgeometrie kann nach softwaregestützter Erkennung der räumlichen Struktur der Gefäße virtuell verändert werden, z.B. indem Gefäße verschlossen oder mit Implantaten versehen werden. Die entstehende neue Gefäßgeometrie entspricht dann nicht dem aktuellen Zustand des Patienten, sondern der Vorstellung des Arztes, wie die Blutgefäße des Patienten nach einem Eingriff aussehen sollen. Diese virtuelle Gefäßgeometrie kann als Grundlage für numerische Simulationen und auf dessen Basis für quantitative Aussagen über die Hämodynamik und Wandbelastung dienen, genau so gut, wie die ursprüngliche, direkt aus Tomographiedaten gewonnene Geometrieinformation.A Another important application is the "virtual angioplasty", which is a detailed Predicting the clinical consequences of planned but not yet operative conducted inserts of implants or vasoplastic surgery. The tomographically recorded vessel geometry can after software-supported Detection of spatial Structure of the vessels virtually changed be, e.g. by closing vessels or with implants. The resulting new vessel geometry then does not correspond to the current condition of the patient, but the presentation of the doctor as the patient's blood vessels after a procedure should look like. This virtual vessel geometry can be used as a basis for numeric Simulations and on its basis for quantitative statements about the hemodynamics and wall load serve as well as the original, geometry information obtained directly from tomographic data.

Die Einschränkungen im Umfang möglicher Anwendungen sind im wesentlichen auf Einschränkungen bei den Aufnahme- und Registrationsverfahren zurückzuführen. Der Herz- und Lungen-Bereich unterliegt einer nicht unterdrückbaren starken Bewegung. Durch die Erfindung ist es möglich, bei Einsatz der Verfahrensmöglichkeiten, insbesondere der dynamischen Kopplung von Blutstrom und Wandbewegung, auch die Blutströmung im Herzen und/oder den Kranzgefäßen zu berechnen. Venen sind schwer zu modellieren und oft auch schwer mit Tomographie genau zu lokalisieren. Kleine Gefäße (Stenosen unter 2 mm Durchmesser und Aneurysmen unter 4 mm) sind aufgrund begrenzter CT-Auflösung (ca. 0,5 mm) zur Zeit nicht zuverlässig abschätzbar.The restrictions in the scope of possible applications are essentially limited in the reception and registration procedures. The heart and lung area is subject a non-suppressible strong movement. The invention makes it possible, when using the process options, in particular the dynamic coupling of blood flow and wall movement, also the blood flow in the heart and / or the wreaths. Veins are difficult to model and often difficult with tomography exactly to locate. Small vessels (stenoses under 2 mm in diameter and aneurysms below 4 mm) are due limited CT resolution (about 0.5 mm) at the moment not reliably predictable.

Die Strömungssimulation ist derzeit das zeitaufwendigste Element des Verfahrens. Mit dem Einsatz der Lattice-Boltzmann-Methode und von kleineren Hochleistungsrechnern (2 bis 8 Prozessoren), die nur für einen Bruchteil der Kosten eines Tomographen (z.B. CT oder MRI) zu erwerben sind, kann die Dauer einer typischen Simulation in einfacheren neurochirurgischen Anwendungen bereits auf 1 Stunde reduziert werden. Die Vorbereitung der Simulation einschließlich Segmentierung, 3D-Rechengitter, Verfeinerung, Angabe von Randbedingungen, usw. soll im Durchschnitt 5 bis 10 Minuten betragen und die Auswertung der Simulationsergebnisse 5 bis 20 Minuten, incl. Archivierung der benutzten Gefäßgeometrie, Randdaten, des konvergierten Strömungszustandes, der für weitere Simulationen, z.B. für eine "virtuelle Angioplastik" gebraucht werden kann, sowie ausgewählte, über die Zeit integrierte Simulationsergebnisse. Das Verfahren ist damit nicht für Notfallbehandlungen geeignet, dagegen aber bei der Therapieplanung und der nachträglichen Kontrolle als Standardmittel zur klinischen Unterstützung verwendbar.The fluid Dynamics is currently the most time-consuming element of the process. With the Use of the Lattice-Boltzmann method and smaller high-performance computers (2 to 8 processors), only for a fraction of the cost of a tomograph (e.g., CT or MRI) To acquire the duration of a typical simulation can be simpler Neurosurgical applications are already reduced to 1 hour. The preparation of the simulation including segmentation, 3D computational grid, Refinement, specification of boundary conditions, etc. should be on average 5 to 10 minutes and the evaluation of the simulation results 5 to 20 minutes, including archiving of used vessel geometry, Boundary data, the converged flow state, the for further simulations, e.g. For a "virtual Angioplasty "used can be, as well as selected, over the Time integrated simulation results. The procedure is with it not for Emergency treatment suitable, but in therapy planning and the subsequent Control can be used as a standard agent for clinical support.

Die Methode kann auch als Upgrade für bereits im Einsatz befindliche Tomographieapparaturen eingebaut werden. Benötigt werden dazu aktuelle leistungsstarke Rechnercluster und herstellereigene Interfacesoftware, die eine Verbindung mit der Meßapparatur des Herstellers ermöglicht. Für spezifische Anwendungsbereiche wie z.B. Neurochirurgie ist für die zuverlässige Simulation eine Scannerauflösung im Submillimeterbereich notwendig, die bei manchen Tomographiegeräten nicht erreichbar ist.The Method can also be used as an upgrade for built-in tomography equipment installed become. requires become current powerful computer clusters and proprietary interface software, the one connection with the measuring apparatus allows the manufacturer. For specific applications such as. Neurosurgery is for the reliable Simulation a scanner resolution in Submillimeter range necessary, which in some tomography devices not is reachable.

Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine simulationsgestützten Therapieplanung und Kontrolle besteht in der Automatisierung, Standardisierung und Beschleunigung von Blutstromsimulationen in Adern. Eine Segmentierung der dreidimensionalen geometrischen Daten ermöglicht die Darstellung der Gefäßwände. Von entscheidender Bedeutung ist der Einsatz von regelmäßigen Datengittern bei allen Stufen der rechnerischen Bearbeitung und insbesondere bei der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) für die Strömungssimulation. Alle bisher publizierten Simulationen, die auf individuellen Tomographiedaten von Patienten basieren, sind mit anderen Verfahren (FVM, FEM) durchgeführt worden. Es sind nur einzelne Versuche bekannt, LBM zur Blutstromsimulation einzusetzen, der Aufbau der durchströmten Geometrie ist dabei stets nicht in Zusammenhang mit Daten von individuellen Patienten gebracht worden. Auch bei den Simulationen mit herkömmlichen Verfahren (FVM, FEM) ist der Einfluß des Strömungsgebietsumfangs nicht untersucht worden. Der Einfluß von Randbedingungen am Ein- und Ausströmort und von der räumlichen Auflösung ist nur selten und dann nur empirisch untersucht worden, ohne daß dabei eine Zuverlässigkeitsregel (z.B. in Form eines Fehlerintervalls) festgelegt worden wäre. Die virtuelle Chirurgie ist als zukunftsträchtiges Mittel der simulationsgestützten Therapieplanung bereits diskutiert worden, allerdings nur in einem Zusammenhang mit Koronararterien und Aortensegmenten. Dabei ist die gegenwärtige Machbarkeit von, 3D-Simulationen für die klinische Praxis negativ eingeschätzt worden.The main advantage of the inventive method for simulation-based therapy planning and control is the automation, standardization and acceleration of blood flow simulations in veins. A segmentation of the three-dimensional geometric data allows the representation of the vessel walls. Of crucial importance is the use of regular data grids in all stages of computational processing and in particular in the Lattice-Boltzmann (LBM) method for flow simulation. All previously published simulations based on individual tomography data of patients, have been performed by other methods (FVM, FEM). Only a few experiments are known to use LBM for blood flow simulation, the structure of the flow-through geometry has always not been related to data from individual patients. Even with the simulations with conventional methods (FVM, FEM), the influence of the flow area circumference has not been investigated. The influence of boundary conditions at the inlet and outlet and the spatial resolution has been rarely and then only empirically investigated without a reliability rule (eg in the form of an error interval) would have been set. Virtual surgery has already been discussed as a promising means of simulation-based therapy planning, but only in connection with coronary arteries and aortic segments. The present feasibility of 3D simulations for clinical practice has been negatively assessed.

Erst das erfindungsgemäße Verfahren mit räumlich dreidimensional aufgelöster Blutstromsimulation stellt eine mit vorhandener Hardware umsetzbare Option für simulationsgestützte Diagnostik und Therapieplanung von Gefäßmalformationen dar. Wichtig ist die Festlegung des erforderlichen Umfangs (eine ausreichend weite Umgebung der Malformation, je nach Typ, nach Komplexität der Gefäßstruktur in der Umgebung, und nach individuellen Besonderheiten) und die erforderliche (räumliche und zeitliche) Auflösung der Blutstromsimulation und dementsprechend die der mit Tomographieverfahren gewonnenen Ausgangsdaten. Des weiteren entscheidend ist die durchgehende Verwendung nur von regelmäßigen Datengittern, was sowohl die Effizienz als auch die Genauigkeit bei den einzelnen Schritten des Verfahrens verbessert.First the inventive method with spatial resolved three-dimensionally Bloodstream simulation provides an implementable with existing hardware Option for simulation-based Diagnosis and treatment planning of vascular malformations. Important is the definition of the required scope (one sufficient wide environment of malformation, depending on the type, complexity of the vessel structure in the area, and according to individual characteristics) and the required (spatial and temporal) resolution the bloodstream simulation and, accordingly, those obtained using tomographic methods Output data. Furthermore, the decisive factor is the continuous use only from regular data grids, what both the efficiency and the accuracy of the individual Steps of the procedure improved.

Für die Durchführung des Verfahrens werden keine Fachleute auf dem Gebiet der Strömungsmechanik mehr gebraucht. Es werden Schnittstellen für die Einführung von biomechanischen, zytologischen und anderen (für die Darstellung der normalen und krankhaften Remodellierung von Gefäßen relevanten) Modellen vorgesehen. Dadurch können zusätzliche wichtige Einflüsse auf die Hämodynamik und Gefäßwandbelastung, z.B. durch Wandpulsation, Blutrheologie und Koagulation, transiente und systematische Änderungen in dem biochemischen Verhalten von Wandzellen usw. mitberechnet werden.For the implementation of the Procedures will not be experts in the field of fluid mechanics more needed. There will be interfaces for the introduction of biomechanical, cytological and other (for the representation of the normal and pathological remodeling of Vessels relevant) Models provided. Thereby can additional important influences on the hemodynamics and Vessel wall load, e.g. through wall pulsation, blood rheology and coagulation, transient and systematic changes in the biochemical behavior of wall cells, etc. also calculated become.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich als Standardmethode zur simulationsgestützten Diagnostik, Therapie und Kontrolle von Blutgefäßmalformationen, somit zur Diagnostik, Therapieplanung und Kontrolle von vielen Symptomen in der Kardiologie, Neurologie und Gefäßchirurgie algemein und ist im Gegensatz zu den bisherigen 3D-Blutstromsimulationsverfahren in jeder aktuell ausgerüsteten Klinik verwendbar.The inventive method is the standard method for simulation-based diagnostics, Therapy and control of blood vessel malformations, thus for Diagnosis, treatment planning and control of many symptoms in cardiology, neurology and vascular surgery is common and is in contrast to the previous 3D blood flow simulation method in every currently equipped Clinic usable.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf folgenden Vorausset zungen:
Es müssen räumlich aufgelöste Tomographiedaten (3D von näherungsweise unbewegten Körperteilen oder 4D, also einschließlich Zeitabhängigkeit, bei Herz und Lungen) vorhanden sein. Die Möglichkeiten der vorhandenen Tomographiehardware beschränken dadurch die Anzahl und Lage der behandelbaren Gefäße.
The method according to the invention is based on the following prerequisites:
There must be spatially resolved tomography data (3D of approximately stationary parts of the body, or 4D, that is, including time dependence, on the heart and lungs). The possibilities of existing tomography hardware thereby limit the number and location of the treatable vessels.

An allen proximalen Endquerschnitten (in bezug auf die vorhandene räumlich beschränkte Abbildung, die als Geometrieangabe für die numerische Simulation benutzt werden soll) von Arterien muß eine unabhängige zeitlich aufgelöste Meßinformation über den Volumenstrom oder den Blutdruck vorliegen. Blutflußinformation kann z.B. durch Ultraschallmessungen mit Doppleranalyse (ein schnelles Verfahren, das bei ausreichend großen Gefäßen standardmäßig eingesetzt wird) oder durch MRI-Doppler-Verfahren gewonnen werden. Zur Abmessung des Druckverlaufs in größeren Adern steht eine Reihe von meistens nichtinvasiven Verfahren zur Verfügung.At all proximal end cross-sections (with respect to the existing spatially limited imaging, as the geometry specification for the numerical simulation is to be used) of arteries must be an independent temporal resolution Measurement information about the Volume flow or blood pressure. blood flow information can e.g. by ultrasonic measurements with Doppler analysis (a fast Method used as standard in sufficiently large vessels ) or obtained by MRI Doppler techniques. To the dimension of Pressure curve in larger veins There are a number of mostly non-invasive procedures available.

Modelle für das mechanische Verhalten von gesunden und beschädigten Gefäßwänden, sowie für den räumlichen Verlauf der Lumen-Querschnittsfläche kleinerer Gefäße werden für eine vollständige Modellierung und Simulation benötigt. Entsprechende Information ist in der Fachliteratur vorhanden, siehe z.B. G. A. Holzapfel and R. W. Ogden, eds., "Biomechanics of soft tissue in cardiovascular systems", CISM courses and lectures 441, Springer, Wien, 2003. Für manche Anwendungen ist sie allerdings noch nicht ausreichend und so werden dann entweder 4D-Aufnahmen oder die Annahme von starren Wänden in Zusammenhang mit 3D-Aufnahmen verwendet.models for the mechanical behavior of healthy and damaged vessel walls, as well as for spatial Course of the lumen cross-sectional area smaller Become a vessel for one complete modeling and simulation needed. Corresponding information is available in the specialist literature, see e.g. G. A. Holzapfel and R.W. Ogden, eds., "Biomechanics of soft tissue in cardiovascular systems ", CISM courses and lectures 441, Springer, Wien, 2003. For some applications it is but not enough and then either 4D recordings or the adoption of rigid walls used in conjunction with 3D shooting.

Im folgenden wird das erfindunsgemäße Verfahren mehr im einzelnen erläutert. Der Kern des Verfahrens ist eine direkte numerische Simulation (DNS) des Blutstroms in der Nähe von arteriellen Malformationen, die mit Standardverfahren der Angiographie individuell und zuverlässig bei Patienten festgestellt werden können. Das Verfahren beruht auf drei Hauptschritten, die im wesentlichen bei jeder Anwendung von CFD-Software durchgeführt werden müssen.in the The following will be the method according to the invention explained in more detail. The core of the procedure is a direct numerical simulation (DNS) of the Bloodstream nearby of arterial malformations, using standard methods of angiography individually and reliable can be detected in patients. The procedure is based in three main steps, essentially in every application performed by CFD software Need to become.

Pre-Processing: Die Geometrie des durchströmten Raumgebietes (Gefäßsystem) und die passenden Randbedingungen werden festgelegt. Entsprechend wird ein System von Rechengittern ausgelegt, die zusammen das gesamte durchströmte Volumen decken und die erforderliche räumliche Auflösung lokal gewährleisten, wobei jedes einzelne Gitter nur kubische Voxel einer entsprechenden Größe hat und die minimale und maximale Gittergröße an die Architektur des verwendeten Rechners bei der Installation der Software optimal angepaßt werden kann.Pre-processing: The geometry of the flowed through area (vascular system) and the appropriate boundary conditions are determined. Accordingly, a system of computing grids is designed, which together cover the entire volume flowed through and the required spatial Auf locally, each individual grid having only cubic voxels of a corresponding size, and the minimum and maximum grid sizes being optimally adapted to the architecture of the computer used when installing the software.

Processing: Eine numerische Simulation der pulsierenden Blutströmung durch die festgelegte Geometrie wird so lange durchgeführt, bis eine verläßliche Auswertung der Strömungsparameter von Interesse möglich ist (numerisch konvergierte Lösung im weiter oben beschriebenen Sinne vorhanden ist), einschließlich raum- oder möglicherweise auch zeitgemittelte Statistiken.Processing: A numerical simulation of the pulsating blood flow through the specified geometry is carried out until a reliable evaluation the flow parameter of interest possible is (numerically converged solution present in the sense described above), including spatial or maybe also time-averaged statistics.

Post-Processing: Die Simulationsdaten werden ausgewertet und visualisiert. Räumlich verteilte Felder, z.B. Schwankungsamplituden der Scherspannungen an gewählten Abschnitten der Gefäßwände oder "Turbulenzintensität" nach Zeit-Mittelung im Inneren eines Gefäßlumens, sowohl wie auch einfache Zeitreihen, z.B. Des Druckverlaufs an Kontrollpunkten innerhalb von Aneurysmen, und charakteristische Einzelwerte, wie z.B. räumlich gemittelte Oszillationsindizes oder Massenfluß-Verteilungen an Gefäßbifurkationen, werden berechnet und für die Abschätzung des Einflusses von hämodynamischen Faktoren, aber auch von Ungenauigkeiten bei der Modellierung und der numerischen Approximation der berechneten Dynamik bereitgestellt.Post-Processing: The simulation data are evaluated and visualized. Spatially distributed fields, e.g. Varying amplitudes of the shear stresses at selected sections the vessel walls or "turbulence intensity" after time averaging in the Inside of a vessel lumen, as well as simple time series, e.g. The pressure curve at control points within aneurysms, and characteristic single values, such as e.g. spatial averaged oscillation indices or mass flow distributions on vascular bifurcations, are calculated and for the estimate the influence of hemodynamic factors, but also from inaccuracies in modeling and numerical Approximation of the calculated dynamics provided.

Bei jedem dieser drei Hauptschritte im Arbeitsprozeß laufen folgende neue Maßnahmen ab, die die Effizienz und Genauigkeit erhöhen und die Standardisierung erleichtern: Die Verwaltung aller Datengitter ist vollautomatisiert. Alle dreidimensionalen (3D) Daten werden ausschließlich auf regelmäßigen, rechteckigen und so oft wie möglich auf isotropen Gittern dargestellt. Dadurch können die schnellsten und höchstpräzisen Versionen der jeweiligen Algorithmen zur numerischen Glättung, Differenzierung, Integrierung, usw. eingesetzt werden.at Each of these three main steps in the work process is subject to the following new measures that increase the efficiency and accuracy and the standardization facilitate: The management of all data grids is fully automated. All three-dimensional (3D) data is exclusively based on regular, rectangular and as often as possible shown on isotropic lattices. This allows the fastest and most accurate versions the respective algorithms for numerical smoothing, differentiation, integration, etc. are used.

Für die DNS der Navier-Stokesschen Strömungsmechanik wird eine Lattice-Boltzmann-Methode eingesetzt. Dadurch wird auch bei sehr komplizierten Gefäßgeometrien einerseits eine optimale Rechenleistung auch auf Parallelrechnern gesichert und andererseits eine zuverlässige Bestimmung aller hämodynamischen Parameter gewährleistet, insbesondere des Drucks in vielfach verzweigten Gefäßsystemen und der viskosen Spannungen in der Nähe von Gefäßwänden. So ist aus eigener Forschung bekannt, daß es zur DNS Auflösung auch der am stärksten fluktuierenden Moden (Womersleyzahlen bis ca. 20), die zur realistischen Darstellung einer pulsierenden Strömung besonders in Wandnähe noch wichtig sind, eine mäßige räumliche Auflösung von 15 bis 25 Gitterpunkten im Gefäßdurchmesser bei Verwendung von LBM ausreicht, wobei die Wandschichten, in denen sich die höchsten Moden lokalisieren, mit nur 3 bis 5 Gitterpunkten dargestellt werden. Eine entsprechende Gittergröße in der "Region of Interest" kann (automatisch) und soll während des Preprocessing gewährleistet werden und kann danach während der Lösungsschritts leicht von der LBM bearbeitet werden.For the DNS the Navier-Stokes fluid mechanics a lattice Boltzmann method is used. This will also in very complicated vessel geometries On the one hand, optimal computing power, even on parallel computers secured and on the other hand a reliable determination of all hemodynamic Ensures parameters, in particular the pressure in manifolded vascular systems and viscous tensions near vessel walls. So is from our own research known that it to the DNS resolution also the strongest fluctuating modes (Womersley numbers up to about 20) that are realistic Representation of a pulsating flow especially near the wall is still important are, a moderate spatial resolution from 15 to 25 grid points in the vessel diameter when used of LBM is sufficient, with the wall layers containing the highest modes locate with only 3 to 5 grid points. An appropriate grid size in the "Region of Interest" can (automatically) and should while ensured by the preprocessing be and can afterwards during the solution step easily be processed by the LBM.

Es sind Vergleiche zwischen LBM und FVM bekannt, die wesentliche Vorteile der LBM erkennen lassen, z.B. Diese zeigen, daß bei Strömungsgebieten mit komplexer Geometrie die LBM eine wesentlich geringere Anzahl von Gitterpunkten braucht, um eine vergleichbare Genauigkeit bei der Ermittlung des stationären Druckverlusts zu erreichen. Bei turbulenten Strömungen hat ein Vergleich mit Pseudospektralverfahren, die von höchster Genauigkeit sind, eine vergleichbare Genauigkeit der berechneten Statistiken sowie Geschwindigkeitsvorteile bei Gittergrößen über etwa 100 Punkte in einer Koordinatenrichtung. Da etliche Spektralverfahren nur sehr schwer bei komplexen Geometrien einsetzbar sind, konkurriert LBM in solchen Fällen mit FEM und FVM. Aus der Literatur ist es bekannt, daß FEM sehr zeitaufwendig und recht kompliziert in der Anwendung auf Blutgefäßströmungen sind. Eigene Vergleiche mit kommerzieller CFD-Software auf FVM Basis haben gezeigt, daß die Berechnung einer stationären Lösung mit der FVM-Software, die Gebrauch von fortgeschrittenen Mehrgitter-Verfahren (Multigrid, MG) macht, eine mit LBM ohne MG vergleichbare Rechenzeit in Anspruch nimmt. Durch den Einsatz von MG für LBM kann bis zu eine Größenordnung an Beschleunigung erreicht werden. Die grundsätzliche Beschreibung des LBM-MG ist bereits im Internet zu finden zusammen mit einer begründeten Auswahl einer bestimmten Vorgehensweise aus einer Reihe von sich theoretisch anbietenden Alternativen. Bei der Simulation von pulsierenden Strömungen hat derselbe Vergleich einen Vorsprung der LBM (ohne MG) von wenigstens einer Größenordnung in der Rechenzeit bereits gezeigt. Mittels eines solchen Mehrgitter-Verfahrens können die stationären Skalar- und Vektorgrößen für die Lattice-Boltzmann-Methode schneller bestimmt werden.It Comparisons between LBM and FVM are known to provide significant benefits the LBM, e.g. These show that in flow areas with more complex Geometry LBM a much smaller number of grid points needs to have comparable accuracy in determining the stationary To achieve pressure loss. For turbulent flows has a comparison with Pseudo-spectral methods that are of the highest accuracy, one comparable accuracy of the calculated statistics as well as speed advantages at grid sizes above about 100 points in one coordinate direction. Because quite a few spectral methods are very difficult to use in complex geometries, competes LBM in such cases with FEM and FVM. From the literature it is known that FEM very time consuming and quite complicated to apply to blood vessel flow. Own comparisons with commercial FVM-based CFD software have shown that the Calculation of a stationary solution with the FVM software, the use of advanced multi-grid methods (Multigrid, MG), a computation time comparable to LBM without MG takes up. By using MG for LBM can be up to an order of magnitude to be achieved in acceleration. The basic description of the LBM-MG can already be found on the internet together with a well-founded selection a particular course of action from a number of theoretically offering alternatives. When simulating pulsating flows, it has the same Compare a lead of LBM (without MG) of at least one Magnitude already shown in the calculation time. By means of such a multi-grid process can the stationary one Scalar and vector sizes faster for the Lattice-Boltzmann method be determined.

Durch diese und weitere unten beschriebene Merkmale ist das erfindungsgemäße Verfahren viel einfacher, weitgehend automatisierbar und wesentlich präziser und schneller bei der Ermittlung von klinisch relevanten Strömungsmustern und hämodynamischen Belastungen.By these and other features described below is the inventive method much easier, largely automatable and much more precise and faster in determining clinically relevant flow patterns and hemodynamic Charges.

Für das Pre-Processing werden zwei Arten von Eingaben von dem hier beschriebenen Verfahren benötigt: 3D-Tomographie-Daten, die das Blutgefäßgewebe unterscheiden lassen, und zeitabhängige Messungen des Blutstroms in Adern, die sich proximal in der Nähe der untersuchten Malformation befinden. Um eine zuverlässige Geometrieerkennung und danach auch Strömungssimulation zu gewährleisten, werden Anforderungen an die Auflösung der Eingangsdaten gestellt: Ein Pulszyklus muß durch die Angabe von mindestens 16 unabhängigen Datenaufnahmen, die unterschiedli chen Zeitphasen in einem Zyklus entsprechen, davon mindestens 8 in der Systole und 8 in der Diastole bei einem gesunden Herzzyklus, mit zureichender Zeit-Auflösung definiert sein. Die räumliche Auflösung von Geschwindigkeitsprofilen darf nicht mehr als 3 mal gröber (das Verhältnis bei einem Vergröberungs/Verfeinerungs-übergang bei benachbarten Gitterblöcken) sein als die des Rechengitters, das die Rand-Daten empfangen soll. Im Gegenteil muß auf die bei CFD-Software übliche globale Randbedingungsart, bei der ein Gesamtmassenfluß durch einen gewählten Querschnitt angegeben wird, zurückgegriffen werden.Pre-processing requires two types of input from the method described here: 3D tomography data that differentiates blood vessel tissue and time-dependent measurements of blood flow in veins proximal to the malformation being studied the. In order to ensure a reliable geometry recognition and then flow simulation, requirements are placed on the resolution of the input data: A pulse cycle must be at least 8 in the systole and 8 in. By specifying at least 16 independent data acquisitions corresponding to different time phases in one cycle Diastole in a healthy heart cycle, be defined with sufficient time resolution. The spatial resolution of velocity profiles must not be more than 3 times coarser (the ratio for a coarsening / refinement transition on adjacent mesh blocks) than that of the computational mesh that is to receive the edge data. On the contrary, it is necessary to make use of the CFD software's usual global constraint type, where a total mass flow through a selected cross-section is indicated.

Die zur Erstellung von Eingabedaten typischerweise verwendeten Tomographie-Daten (CT, MRT, etc.) werden als 3D-Datensatz aus Grauwerten, die auf einem regelmäßigen Gitter im physikalischen Raum (und nicht in dem Frequenzraum) gegeben sind, erwartet, in Zusammenhang mit entsprechenden Grauwertintervallen und Filterfunktionen, die wie bei der in der medizinischen Bildgebung üblichen Segmentierung zur Angabe der Unterscheidungsschwellen benutzt werden. Die Vorbereitungsphase, in der diese Angaben vom Anwender erst festgelegt werden müssen, kann so mit bestehender, herstellerspezifischer medizinischer Software durchgeführt werden. Üblicherweise liegen in der Klinik solche Grauwertdaten in einer Variante des DICOM-Formats vor, typischerweise als eine Vielzahl von 2D-Aufnahmen in parallelen Schichten vorgegeben. Die nominale Auflösung (der aus der DICOM-Datei abzulesende räumliche Gitterschritt) innerhalb einer Schicht darf dabei in einem Verhältnis der Gitterschrittgrößen von nicht weniger als 1:3 zur Auflösung in der dritten, axialen Koordinatenrichtung stehen. (Das ideale und bisher maximale Verhältniss von 1:1 wird erst in den neuesten Geräten und dann nicht bei allen Meßverfahren erreicht.) Die Überprüfung, ob die so angegebene Auflösung der tatsächlichen technischen Auflösung während der Datenaufnahme entspricht, kann nicht immer automatisch erfolgen und muß gegebenenfalls vom Anwender durchgeführt werden. Es wird also angenommen, daß die axiale Auflösung nicht wesentlich schlechter ist als die entlang den Schnittebenen. Die gröbere von den beiden Auflösungen muß aus reichend sein, um alle Durchmesser von Gefäßen, die in dem Gebiet von Interesse (Region of Interest) mitberechnet werden sollen (also in der segmentierten Geometriebeschreibung) mit wenigstens 4 Voxeln in der Eingabedatei erscheinen zu lassen. Man hat z.B. eine Ader von 10 mm Durchmesser, die einen Abschnitt mit 75 % Stenose vorweist. Wenn dieser Abschnitt im interessierenden Gebiet liegt, darf die Auflösung nicht gröber als 0,6 mm pro Pixel sein. Bei Aneurysmen muß ihr Hals mit wenigstens 4 und der kürzeste Durchmesser ihres Sacks mit wenigstens 6 Voxeln dargestellt sein. Bei einer isotropen Auflösung von 0,4 mm, wie sie zur Zeit mit dem neuen 64-Zeiler-CT-Gerät von Siemens erreichbar sein soll, können Aneurysmen bis 3 mm und Adern von 1,5 bis 2 mm behandelt werden.The tomography data typically used to generate input data (CT, MRI, etc.) are used as a 3D dataset of gray values that appear on a regular grid in physical space (and not in frequency space), expected, in conjunction with corresponding gray value intervals and filter functions similar to those used in medical imaging Segmentation used to specify the discrimination thresholds. The preparation phase, in which this information is first determined by the user Need to become, can do so with existing, manufacturer-specific medical software carried out become. Usually lie in the clinic such gray value data in a variant of DICOM format, typically as a variety of 2D shots specified in parallel layers. The nominal resolution (the spatial grid step to be read from the DICOM file) within a layer may thereby in a ratio of the grid step sizes of not less than 1: 3 for dissolution in the third, axial coordinate direction stand. (The ideal and so far maximum ratio from 1: 1 is only in the latest devices and then not at all measurement methods achieved.) The check whether the so specified resolution the actual technical resolution while The data recording can not always be automatic and if necessary be performed by the user. It is therefore assumed that the axial resolution not much worse than the one along the cutting planes. The coarser from the two resolutions must reach out be to all the diameter of vessels in the area of Interest (Region of Interest) should be included (ie in the segmented geometry description) with at least 4 voxels appear in the input file. For example, one has a vein of 10 mm diameter, which has a section with 75% stenosis. If this section is within the area of interest, the resolution not grosser than 0.6 mm per pixel. In aneurysms, her neck must be at least 4 and the shortest Diameter of her bag to be represented with at least 6 voxels. At an isotropic resolution of 0.4 mm, as they are currently available with the new 64-line CT from Siemens can be Aneurysms up to 3 mm and veins of 1.5 to 2 mm are treated.

Die zweite Art von erwarteten Angaben sind Puls-, Blutdruck- und Blutstromvolumen-Daten, die es erlauben, Einström-Randbedingungen für die DNS mit ausreichender Präzision festzulegen. Eine Reihe von nichtinvasiven und minimal-invasiven, weitgehend standardisierten Verfahren stehen für die unabhängige Bemessung dieser Parameter zur Verfügung. In G. Pedrizzetti and K. Perktold, eds., Cardiovascular fluid mechanics, CISM courses and 1ectures 446, Springer, Wien, 2003 kann z.B. eine Übersicht bestehender Ultraschall-Meßverfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeiten und Scherspannungen gefunden werden. Die räumliche Verteilung der Blutstrom-Geschwindigkeit in Querschnitten von mittelgroßen und kleineren Adern, die für die Angabe von Ein- und Ausström-Randbedingungen benötigt wird, ist für standardisierte klinische Anwendungen auch in vorhersehbarer Zukunft nicht als meßbar zu betrachten, mit der möglichen Ausnahme von großen Adern, die nahe unter der Haut und nicht von hartem Gewebe gestützt liegen, was z.B. bei der Carotisarterie bis über ihre Bifurkation hinaus auch gegeben ist. Für die haufigsten Fälle von tiefer liegenden Adern muß eine Datenbank erstellt werden, die aus der lokalen Reynoldszahl (aus Ultraschall oder sine-contrast MRI oder auch Schätzwerten) und Gefäßkrümmung (aus CT, MRT) ein plausibles Geschwindigkeitsprofil errechnen läßt. Dazu müssen eine Reihe systematischer hydrodynamischer Berechnungen und anschließender medizinischer Verifikationstests durchgeführt werden. Diese Daten sollen eine räumliche Auflösung von mindestens 20 Voxeln im Lumendurchmesser vorweisen. Die optimale zeitliche Auflösung, die für die Angabe der systolischen Pulsphase in der DNS benötigt wird, entspricht einem gleichmäßigen Zeitschritt von 4% der Gesamtdauer einer Pulsperiode oder auch kürzer, bis 1%, in Bereichen mit sehr steilem oder kompliziertem Pulsverlauf, wie z.B. in den ersten Aortenverzweigungen. In den meisten praktischen Fällen ist diese Genauigkeit nicht erreichbar, besonders bei tief liegenden Adern. Auch dieses Problem soll durch eine Datenbank von Pulsmustern gelöst werden, die es erlaubt, aus einfachen Druckverlauf-Messungen (siehe weiter oben Angaben minimaler Zeitauflösungen) mit Einbezug von weiteren Angaben, wie Alter, Geschlecht und algemeinem Gesundheitszustand des Patienten, Lage des Gefäßes etc., einen plausiblen Pulsverlauf in der Nähe der untersuchten Malformation zu errechnen. Es bleibt nicht festgelegt, ob für diesen Zweck auch Korrelationen und TFM (transfer function method) für bestimmte Körperteile zuverlässig zum Einsatz gebracht werden können.The second type of expected information is pulse, blood pressure, and blood flow volume data, which allow the determination of inflow boundary conditions for the DNA with sufficient precision. A number of non-invasive and minimally-invasive, largely standardized procedures are available for the independent design of these parameters. In G. Pedrizzetti and K. Perktold, eds., Cardiovascular fluid mechanics, CISM courses and 1ectures 446, Springer, Vienna, 2003, for example, an overview of existing ultrasonic measuring method for determining speeds and shear stresses can be found. The spatial distribution of blood flow velocity in cross-sections of medium and smaller veins, which is needed for indication of inlet and outflow boundary conditions, is not to be considered measurable for standardized clinical applications even in the foreseeable future, with the possible exception of large ones Veins that lie close to the skin and are not supported by hard tissue, which is also the case for the carotid artery beyond its bifurcation. For the most common cases of deeper-lying veins, a database has to be created which calculates a plausible velocity profile from the local Reynolds number (from ultrasound or sine-contrast MRI or even estimates) and vessel curvature (from CT, MRI). This requires a series of systematic hydrodynamic calculations and subsequent medical verification tests. These data should show a spatial resolution of at least 20 voxels in the lumen diameter. The optimal temporal resolution, which is required for the indication of the systolic pulse phase in the DNA, corresponds to a uniform time step of 4% of the total duration of a pulse period or even shorter, to 1%, in areas with very steep or complicated pulse progression, such as in the first aortic branches. In most practical cases, this accuracy is not achievable, especially with deep wires. This problem is also to be solved by a database of pulse patterns which allows simple pressure curve measurements (see above for details of minimum time resolutions) with inclusion of further information such as age, gender and general health of the patient, position of the vessel etc. to calculate a plausible pulse course in the vicinity of the investigated malformation. It remains unclear whether correlations and TFM (transfer function method) for certain body parts can be used reliably.

Geometriebestimmung: Um den Einfluß von unvermeidlichen Fehlern bei der Angabe von Ein- und Ausström-Randbedingungen (EARB) zu vermindern, sollen diese Randbedingungen nur weit genug von der untersuchten Malformation angegeben werden. Dabei wird damit gerechnet, daß wirbelerzeugende Merkmale der Gefäßgeometrie (wie Bifurkationen und starke Krümmungen) die lokale Struktur der Strömung stark beeinflussen und damit den Einfluß von Details bei der Angabe der EARB reduzieren. Sowohl aufwärts als auch abwärts der Hauptrichtung der Blutströmung sollten die Ein- bzw. Ausström-Randflächen weiter als die ersten zwei Krümmungen und der ersten Bifurkation von dem Ort der Malformation entfernt liegen. In den Fällen, wenn die Anatomie oder der Umfang der vorliegenden Tomographiedaten dies ausschließt (typischerweise im Einströmungbereich), wird eine Untersuchung des Einflusses der EARB auf die Strömungsstruktur der entsprechenden numerischen Lösung empfohlen, die im Vergleich zu wenig stens zwei Varianten der Simulation, die sich nur durch das Profil oder die Art (Druck oder Massenfluß) der Einströmungs-Randbedingung unterscheiden, besteht. Die automatische Verifikation der EARB Bedingungen ist möglich, erfordert allerdings eine (wiederum automatische) topologische Gefäßstruktur-Erkennung und dafür auch eine gute räumliche Auflösung der Tomographie-Daten weit distal von der Malformation. Falls eine solche Auflösung nicht erreichbar ist, oder die Gefäßstruktur außerordentlich kompliziert ist, muß die Auswahl der Randflächen von einer Bedienungsperson, z.B. einem Arzt, getroffen werden. Diese Notwendigkeit wird automatisch signalisiert. Es wird zusätzlich verlangt, daß alle größeren Gefäße (im Gegensatz zu "kleineren Gefäßen", siehe unten) mit dargestellt werden, die mit dem Ort der Deformation (Stenose, Aneurysma, Stent, Bypass, etc.) innerhalb einer Kugel mit Durchmesser 3 L direkt mit der Deformation verbunden sind, wobei L die Länge (den größten Durchmesser) der untersuchten Deformation bezeichnet. Diese Kugel muß zum großen Teil in dem interessierenden und für die Strömungsbestimmung berücksichtigten Gebiet enthalten sein, Gefäße mit einem Durchmesser unter 30% des effektiven Durchmessers der größten Ader, die an der Deformation direkt vorbeiläuft, werden als "kleinere Gefäße" bezeichnet. Solche Gefäße werden aus der Geometriebeschreibung automatisch entfernt, wenn sie nicht direkt in oder vorbei an der Deformation führen. von den verbliebenen Gefäßen "endet" die Mehrzahl an Randflächen, and denen Ein- oder Ausström-Randbedingungen vorgeschrieben werden müssen, obwohl sie unbekannt sind. An diesen Flächen werden synthetische Randbedingungen vorgegeben, die dem Massenfluß proportional zur Querschnittfläche des jeweiligen Gefäßes (in bezug auf seine Achse, die von dem oben erwähnten Erkennungsverfahren für die topologische Struktur der vorhandenen binär segmentierten Gefäßgeometrie bereits automatisch berechnet oder mit Entscheidung eines überwachenden Arztes festgelegt worden ist) und dem dynamischen Massenerhaltungsgesetzes entsprechend bestimmt werden. Wichtige Gefäße können weit Stromabwärts (distal) nach der Deformation aus physiologischen oder auch aus technischen Gründen schlecht erkennbar werden. In diesen Fällen wird eine Bedienungsperson, z.B. der Arzt, nur bei der Festlegung des Verlaufs der Gefäßachse gefragt und unterstützt, während der Gefäßdurchmesser anhand von bekannten Näherungsformeln exponentieller Art extrapoliert wird. Um einen plausiblen Verlauf der Achse solcher Gefäße zu errechnen, werden lokale Schwellwertanpassungen, Regularisierung z.B. mit nichtlinearer Diffusion, angepaßte Einbeziehung des Grauwertgradienten in die Ortung der Gefäßwand, sowie weitere bekannte fortgeschrittene Segmentierungsverfahren einbezogen.Geometry determination: To the influence of inevitable Errors when specifying in and out boundary conditions (EARB) too diminish, these constraints are only far enough from the be reported malformation. It is expected that swirling Features of the vessel geometry (like bifurcations and strong bends) the local structure of the flow strongly influence and thus the influence of details in the indication reduce the EARB. Both up as well as down the main direction of blood flow should the input or Outflow edge surfaces continue as the first two bends and the first bifurcation away from the location of the malformation lie. In cases, if the anatomy or the extent of the present tomography data this excludes (typically in the inflow area), will be an investigation of the influence of EARB on the flow structure the corresponding numerical solution recommended, compared to at least two variants of the simulation, that differ only by the profile or type (pressure or mass flow) of the inflow boundary condition, consists. The automatic verification of EARB conditions is possible, however, requires a (again automatic) topological vascular structure recognition and therefor also a good spatial resolution the tomography data far distal from the malformation. If one such resolution is unreachable, or the vascular structure extraordinary complicated, the must Selection of border areas from an operator, e.g. a doctor, to be taken. These Need is signaled automatically. It is additionally required that all larger vessels (in contrast to "smaller vessels", see below) with presented with the location of the deformation (stenosis, aneurysm, Stent, bypass, etc.) within a sphere of diameter 3 L directly are associated with the deformation, where L is the length (den largest diameter) of the examined deformation. This ball must be for the most part in the interest and for the flow determination was taken into account Be contained in one area, vessels with one Diameter less than 30% of the effective diameter of the largest wire, which passes directly by the deformation are called "smaller vessels". Such Become a vessel automatically removed from the geometry description if they are not lead directly into or past the deformation. from the remaining ones Vessels "ends" the majority of edge surfaces, and those inlet or outlet boundary conditions must be prescribed although they are unknown. These surfaces become synthetic boundary conditions given that proportional to the mass flow to the cross-sectional area of respective vessel (in with respect to its axis, that of the above-mentioned recognition method for the topological Structure of the existing binary segmented vessel geometry already calculated automatically or with decision of a supervising Physician has been established) and the dynamic mass conservation law be determined accordingly. Important vessels can be far downstream (distal) after deformation from physiological or technical establish become poorly recognizable. In these cases, an operator, e.g. the doctor, only in determining the course of the vessel axis asked and supports, during the Vessel diameter based on known approximation formulas extrapolated exponentially. To a plausible course to calculate the axis of such vessels local threshold adjustments, regularization e.g. with non-linear Diffusion, adapted Inclusion of the gray scale gradient in the location of the vessel wall, as well included other well-known advanced segmentation techniques.

Simulationen von Gefäßen mit Implantaten (Stents, Coils, aber auch Bypässe) werden mit dem neuen Verfahren auch individuell patientenabhängig möglich. Die Geometrie und die mechanischen Eigenschaften des Implantats sollen dafür bekannt sein und eine ausreichend aufgelöste 3D-Tomographie-Aufnahme mit dem bereits plazierten, deutlich erkennbaren Implantat vorhanden sein. Wie auch bei der Darstellung der Wände (als gekrümmte Oberflächen ohne Dicke) und der Achsen (als gekrümmte Linien im 3D-Raum) von modellierten Blutgefäßen, wird die eigentliche Lage des Implantats durch gekrümmte geometrische Objekte ohne Dicke "registriert" (im Jargon der medizinischen Bildgebung). Diese werden als Deformationen entsprechender, voraus vorbereiteter geometrischer Modelle des Implantats in einer Referenzlage (z.B. ein Stent, der in einem geraden oder einfach (mit konstantem Krümmungsradius) gebogenen Rohr mit konstantem, kreisförmigem Querschnitt disponiert ist), die dem vorliegenden Tomographie-Datensatz in einer geeigneten Norm am nächsten kommen, erst automatisch bestimmt und danach mit Unterstützung von bildgebenden Verfahren und durch Simulation ihrer mechanischem (hyperelastischen, plastischen, oder auch, z.B. bei natürlichen Implantaten, viskoelastischen) Bewegungen zwischen den Gefäßwänden, dessen Rheologie wie bei der Berechnung der dynamischen Kopplung von Wand und Strömung modelliert wird. Nachdem die aktuelle räumliche Lage des Implantats bestimmt ist, können anhand seiner bekannten mechanischen Eigenschaften oder auch durch einfache "Verkrümmungsexperimente" mit räumlichen Abwei chungen, die von der Erkennungssoftware angegeben werden, die mechanischen Spannungen innerhalb des Implantats sowie auch zwischen ihm und den Gefäßwänden ermittelt werden.simulations of vessels with Implants (stents, coils, but also bypasses) are using the new procedure also individually patient-dependent possible. The Geometry and mechanical properties of the implant should known for that be and be sufficiently resolved 3D tomography image with the already placed, clearly recognizable Implant be present. As with the representation of the walls (as curved surfaces without thickness) and the axes (as curved lines in 3D space) of modeled blood vessels, will the actual position of the implant by curved geometric objects without Thick "registered" (in the jargon of the medical Imaging). These are preceded by deformations corresponding to prepared geometric models of the implant in a reference position (e.g., a stent that is in a straight or plain (with constant Radius of curvature) curved tube with a constant, circular cross-section disposed is), the present tomography record in a suitable standard on next come, first determined automatically and then with the support of imaging and simulation of their mechanical (hyperelastic, plastic, or else, e.g. in natural implants, viscoelastic) movements between the vessel walls, its rheology as modeled in the calculation of the dynamic coupling of wall and flow becomes. After the current spatial Location of the implant is determined by its known mechanical properties or even by simple "curvature experiments" with spatial Deviations indicated by the recognition software, the mechanical stresses within the implant as well as between determined it and the vessel walls become.

Der fehlende, hämodynamische Anteil dieser Belastungen wird dann mittels DNS eingeschätzt. Dabei werden, bei ausreichender Auflösung der DNS, Coils mit einfacher Geometrie im aktuellen Zustand sowie Stents als 3D-Körper dargestellt, in dem ihre angepaßten "Skelette" auf eine Breite ausgebreitet ist, die der eigentlichen Dicke der Drahtquerschnitte möglichst genau entspricht, aber nicht dünner als 3 Voxel auf dem Rechengitter ist. Bei geringer Auflösung der DNS müssen Coil-Bündel als poröses Medium modelliert werden, wobei die Porosität aus den Tomographie-Aufnahmen (bei bereits im Körper vorliegenden Implantaten) oder aus eigener Erfahrung einer Bedienungsperson, z.B. des Arztes (bei der medizinischen Planung), geschätzt werden müssen.Of the missing, hemodynamic Proportion of these burdens is then estimated by DNS. there be, with sufficient resolution the DNS, coils with simple geometry in the current state as well Stents as a 3D body represented in which their adapted "skeletons" to a width is spread, the actual thickness of the wire cross-sections preferably exactly corresponds, but not thinner than 3 voxels on the grid is. At low resolution the Need DNS Coil bundle as a porous medium be modeled, with the porosity from the tomographic images (if already present in the body Implants) or from the experience of an operator, e.g. the doctor (in medical planning), be appreciated have to.

Feinere Coils sowie Gele, Verklottungen, weiche Plaquen und ähnliches werden als homogen-poröse Körper modelliert. Nicht nur die Porosität, sondern auch die Steifigkeit, Lösbarkeit, Diffusionseigenschaften, der Anteil chemisch instabiler Stoffe und andere Parameter müssen bekannt sein, um die klinisch relevanten Effekte solcher modellierten Implantate oder Deformationen vollständig bestimmen zu können. Entsprechende Stofftransport-Simulationen werden, gemäß dem neuesten Stand der Technik, einschließlich Diplomarbeiten am LSTM-Erlangen, mit Finite-Differenzen-Verfahren auf demselben Rechengitter wie LBM und mit dem LBM-Löser direkt, bei jedem Zeitschritt gekoppelt, mit Verwendung von Simulationsschemata und Randbedingungen zweiter Ordnung (also mit der LBM abgestimmt) durchgeführt.finer Coils and gels, Verklottungen, soft plaques and the like be as homogeneous-porous body modeled. Not only the porosity, but also the stiffness, Solubility, Diffusion properties, the proportion of chemically unstable substances and other parameters need be known to model the clinically relevant effects of such To be able to completely determine implants or deformations. Appropriate Mass transfer simulations, according to the state of the art, including Diploma thesis at the LSTM Erlangen, with finite difference method on the same computational grid as LBM and with the LBM solver directly, at coupled to each time step, using simulation schemes and boundary conditions of second order (ie coordinated with the LBM) carried out.

Für jede dieser Arten von Objekten sollten deshalb schon im voraus Datensätze mit repräsentativen Werten vorhanden sein. Dessen Entwicklung ist kein Bestandteil der vorliegenden Beschreibung. Auch die Auswahl optimaler Modelle für poröse Medien läßt sich nicht eindeutig beschreiben und soll während der Erzeugung der Datensätze bestimmt werden. Sie müssen aber die Struktur der Navier-Stokesschen Gleichungen im wesentlichen behalten, so daß ihre Berechnung mit LBM mittels einer Einführung entsprechend berechneter "Modellkräfte" und "Modellspannungen" möglich bleibt. Die geforderten Angaben von Diffusionseigenschaften sollen eine Berechnung von Fluktuationen in der Temperatur und in der Konzentration von wichtigen Stoffen und Blutbestandteilen erlauben. Entsprechende Diffusions-Konvektions-Gleichungen werden in Zusammenhang mit LBM-Simulationen am besten mittels angepaßter Finite-Differenzen-Verfahren berechnet.For each of these Therefore, types of objects should already have records in advance representative Values exist. Its development is not part of the present description. Also the selection of optimal models for porous media let yourself not clearly described and should be determined during the generation of the records. You need to but the structure of Navier-Stokes's equations essentially keep so that theirs Calculation with LBM by means of an introduction of correspondingly calculated "model forces" and "model stresses" remains possible. The required information of diffusion properties should be a Calculation of fluctuations in temperature and concentration of important substances and blood components. Appropriate Diffusion convection equations are related to LBM simulations best by means of adapted Finite difference method calculated.

Rechengitter: Auch wenn die ursprüngliche Grauwert-Datei nicht isotrop ist, d.h. wenn der Schritt in der axialen Richtung nicht gleich dem in den Schnittebenen ist, soll die binär segmentierte Geometrie auf einem isotropen Gitter dargestellt werden. Ein Vorteil davon ist, daß numerische Fehler vermieden werden, die aufgrund von Gitteranisotropien bei allen Rechenverfahren auftreten und sich bei geringer Auflösung als wesentlich erweisen. Ein weiterer, eng verbundener Vorteil ist, daß einfachere und genauere Varianten der Lattice-Boltzmann-Methode eingesetzt werden. Die Übertragung auf ein isotropes Gitter kann sehr effizient mit Filtern und Verfeinern verbunden werden. Bei der stark gekrümmten und verzweigten Gefäßgeometrie, die in den meisten Fällen behandelt werden soll, sind diese Vorteile von großer Bedeutung. Wenn das Filtern wesentliche Änderungen der Topologie zur Folge hat, wird dies signalisiert und dem Benutzer (z.B. dem überwachenden Arzt) wird eine einfache Möglichkeit gegeben, die Filtereigenschaften zu modifizieren oder eine der entstandenen Topologien als "richtig" auszuwählen. Das Filtern soll ortsabhängig sein und im Bereich der untersuchten Gefäßdeformation einem (nicht-isotropen, lokal angepaßten) Glättungsoperator entsprechen, üblicherweise mit einer Filterbreite von mindestens 3 und maximal 12 Voxeln des ursprünglichen Gitters, um nicht-physikalische "Wellen" der Gefäßwand im Bereich der Deformation zu vermeiden. Die räumliche Auflösung des entstehenden isotropen Datengitters soll da bei wenigstens 15 bis 20 Voxel entlang der kürzesten Dimension von "normalen" Gefäßen in der Nähe von der untersuchten Gefäßdeformation gewährleisten.Grid computing: Even if the original grayscale file is not isotropic, i. if the step in the axial direction is not equal to that in the cutting planes, the binary is segmented Geometry can be represented on an isotropic grid. An advantage of which is that numeric Errors due to lattice anisotropies at all Computing occur and at low resolution than prove essential. Another, closely related advantage is that easier and more precise variants of the Lattice-Boltzmann method used become. The transfer An isotropic grid can be very efficiently linked to filtering and refining become. At the strongly curved and branched vessel geometry, in most cases should be treated, these benefits are of great importance. When filtering significant changes the topology, this is signaled to the user (e.g., the supervising Doctor) becomes an easy way given to modify the filter properties or one of the resulting Select topologies as "right". The filtering should be location-dependent and in the area of the investigated vessel deformation one (non-isotropic, local adapted) smoothing operator correspond, usually with a filter width of at least 3 and a maximum of 12 voxels of the original Grid to non-physical "waves" of the vessel wall in the area to avoid the deformation. The spatial resolution of the resulting isotropic data grid is there at least 15 to 20 voxels along the shortest Dimension of "normal" vessels near the examined vessel deformation guarantee.

Dieselbe minimale Auflösung gilt auch für kleinere wichtige Gefäße und sogar besonders bei Stenosen, da in dem verengten Lumen höhere Geschwindigkeiten und Gradienten auftreten. Nur bei kleineren Gefäßen mit automatisch bestimmten und typischerweise geringem Ausfluß kann die Auflösung bis auf 6 bis 12 Gitterpunkte (je nach der Variante des verwendeten Lattice-Boltzmann-Schemas) im Durchmesser vermindert werden. Noch kleinere Gefäße (Durchmesser unter 30% von 18 Voxel) werden modelliert und nicht simuliert. Dabei wird eine pulsierende laminare Strömung angenommen und eine dritte Datenbank zum Einsatz gebracht, die eine ausführliche Menge von berechneten kurzstreckigen Einflußströmungen in Gefäßen mit verschiedener Krümmung enthält. Das Geschwindigkeitsprofil am Einströmungsrand kann bei diesen Berechnungen nur mit 2D-Polynomen niedriger Ordnung angegeben werden, da die Aufgabe darin besteht, Geschwindigkeitsdaten mit kleinem Gradienten, die aus Flächen mit Durchmesser unter 5 Voxel stammen, in das modellierte Gefäß "hineinzuextrapolieren".the same minimal resolution also applies to smaller ones important vessels and even especially in stenoses, because in the narrowed lumen higher speeds and gradients occur. Only for smaller vessels with automatically determined and typically low outflow, the resolution can go up to 6 to 12 grid points (depending on the variant of the used Lattice Boltzmann schemes) are reduced in diameter. Yet smaller vessels (diameter below 30% of 18 voxels) are modeled and not simulated. there it assumes a pulsating laminar flow and a third database put to use, which calculated a detailed amount of short-term influence currents in Vessels with different curvature contains. The velocity profile at the inflow edge can be used in these calculations be given only with 2D polynomials of low order, since the The object is to provide low-speed velocity data, made of surfaces with Diameters below 5 voxels stem from "extrapolating" into the modeled vessel.

Eine Gitterzerlegung mit anschließender Eliminierung der Teile, in denen keine durchströmten Voxel vorliegen, und einer Verfeinerung (oder auch Vergröberung, um unnötig hohe Auflösung zu vermeiden) soll nach der Erstellung des isotropen Gitters erfolgen. Jedes Gitterteil soll ein Quader sein, vernetzt von einem eigenen isotropen Gitter, dessen minimale Größe von der technischen Spezifikation des jeweiligen Rechners abhängig ist, aber 12 Voxel in jeder Koordinatenrichtung nicht unterschreiten soll, was mit der Effizienz auf Cache-Architekturen, aber auch mit der Auflösung im Querschnitt der meisten behandelten Gefäßen verbunden ist. Die ursprüngliche Unterteilung ist in etwa gleich großen (plus/minus ein Voxel in jeder Richtung) Blöcken, die sich um ein Voxel (des ursprünglichen isotropen Gitters) überlappen. Nach der Verfeinerung bzw. Vergröberung darf das Verhältnis der Gitterschritte in benachbarten Blöcken nur 1:1 oder 2:1 bzw. 3:1 sein. Dies vereinfacht die Kommunikation und erlaubt eine genaue und effiziente Interpolation zwischen Nachbarteilen. Verfeinerte Blöcke werden automatisch in eine entsprechende Zahl von neuen Blöcken unterteilt, falls die für das vorhandene Rechensystem empfohlene Gittergröße wesentlich überschritten wird. Das so beschriebene Verfeinerungsverfahren wird dann rekursiv wiederholt in Blöcken, wo dies notwendig ist, bis alle Gefäße gut aufgelöst sind. Es werden auch die Beschreibungen aller ursprünglichen Blöcke und aller Zwischenstufen-Blöcke bei der Verfeinerung bzw. Vergröberung gespeichert. Dies ist sowohl bei der Visualisierung und Archivierung der Simulationsergebnisse im Algemeinfall wie auch bei der Simulation selbst, falls LBM-MG verwendet werden, notwendig.A grating decomposition with subsequent elimination of the parts in which there are no voxels traversed, and a refinement (or coarsening to avoid unnecessarily high resolution) should take place after the creation of the isotropic grating. Each grid part should be a cuboid networked by its own isotropic grid whose minimal size is dependent on the technical specification of the particular computer, but should not be less than 12 voxels in each coordinate direction, which is associated with the efficiency of cache architectures, but also with the resolution in the cross-section of most treated vessels. The original subdivision is roughly equal to (plus / minus one voxel in each direction) blocks that overlap one voxel (the original isotropic lattice). After refinement or coarsening, the ratio of the lattice steps in adjacent blocks may only be 1: 1 or 2: 1 or 3: 1. This simplifies communication and allows accurate and efficient interpolation between neighboring parts. Refined blocks are automatically subdivided into a corresponding number of new blocks if the grid size recommended for the existing computing system is significantly exceeded. The refinement procedure thus described is then repeated recursively in blocks where necessary until all vessels are well resolved. Descriptions of all original blocks and all intermediate blocks are also stored in the refinement. This is necessary both in the visualization and archiving of the simulation results in general as well as in the simulation itself, if LBM-MG are used.

Darstellung der Gefäßwände: Die Identifikation der Lage von Gefäßwänden aus den 3D-Tomographiedaten wurde bereits beschrieben. Diese Lage muß für die DNS in einer in der Handhabung leichten Datenstruktur behalten werden. Die einzige Ausnahme tritt auf, wenn das Bounce-back-Verfahren verwendet wird, als Näherung der Haft-Randbedingungen an Gefäßwänden, die als fest und unbeweglich angenommen werden und nur ungenau bekannt sein dürfen. Dies ist eine schnelle, einfache und robuste Variante des Verfahrens, das auch eine exakte Massenerhaltung garantiert. Es ist aber nur bedingt anwendbar, etwa bei relativ gut aufgelösten Gefäßen, die aber fast unbeweglich sind (wie z.B. im Gehirn) oder bei Gefäßen, dessen Bewegung unwichtig für die Dynamik im Gebiet von Interesse ist. Die Wandinformation wird auf das starre Rechengitter abgebildet und mit diesem gekoppelt. In allen anderen Fällen muß die Wandlage gespeichert und gegebenenfalls auch stets erneut (z.B. bei den starken Pulsationen einer AAA) werden. Wenn die Wanddynamik berechnet werden soll, muß ein mechanisches Model der nichtlinearen Elastizität und (bei großen Abweichungen oder starken Belastungen, wie z.B. in größeren Aneurysmen) der Plastizität angegeben werden. Ein Beispiel solcher Modelle ist in Holzapfel & Ogden (a.a.O., 2003) angegeben.presentation the vessel walls: The Identification of the location of vessel walls The 3D tomography data has already been described. This situation must be for the DNS be kept in an easy-to-handle data structure. The only exception occurs when using the bounce-back method will, as an approximation the adhesive boundary conditions on vessel walls, the are assumed to be fixed and immovable and only vaguely known may be. This is a fast, simple and robust variant of the method, which also guarantees an exact mass conservation. It is only conditionally applicable, for example, in relatively well-resolved vessels, but almost immobile are (as in the brain, for example) or in vessels whose movement is unimportant for the Dynamics in the area of interest. The wall information will open mapped the rigid computing grid and coupled with this. In in all other cases, the wall layer stored and, if necessary, always again (for example, the strong Pulsations of an AAA). When the wall dynamics are calculated should, must mechanical model of nonlinear elasticity and (in the case of large deviations or heavy loads, e.g. in larger aneurysms) of plasticity become. An example of such models is in Holzapfel & Ogden (supra). 2003).

Es werden zwei Möglichkeiten zur Darstellung der Wandlage berachtet. Bei beiden handelt es sich um eine "genaue" oder "scharfe" Darstellung, was die eindeutige Berechnung der Wandbelastung erlaubt und die effiziente Simulation der Wanddynamik erleichtert, aber auch eine Kommunikation dynamischer Information zwischen dem "Wandgitter" und dem für die Strömungssimulation geeigneten 3D-Rechengitter verursacht. Diese Kommunikation kann mittels des bekannten "immersed-boundary" Verfahrens oder einer seiner neueren Varianten wie des "immersed-interface" Verfahrens (siehe oben) erfolgen.It be two ways covered for displaying the wall position. Both are an "exact" or "sharp" representation of what the unambiguous calculation of the wall load allowed and the efficient Simulation of wall dynamics facilitates, but also communication Dynamic information between the "wall grid" and suitable for the flow simulation 3D computing grid caused. This communication can be done by means of the known "immersed-boundary" method or one of its newer variants such as the "immersed-interface" method (see above).

Die erste Wanddarstellungsmethode ist bei stets kleinen Wandabweichungen einfacher zu behandeln: Die Verbindungen zwischen benachbarten Gitterpunkten im isotropen 3D-Rechengitter werden gekennzeichnet, wenn sie eine Gefäßwand überschneiden, wobei auch die Lage des Schnitts auf dem 3D-Rechengitter gespeichert wird. Fälle, in denen ein Gitterpunkt mit einem Überschneidungspunkt (fast) überlappt, werden durch "generische kleine Deformationen", die lokal angebracht werden können, systematisch vermieden.The First wall rendering method is always small wall deviations easier to handle: the connections between adjacent grid points in the 3D isotropic computational grid are marked, if they have a Overlap vessel wall, whereby also the position of the cut is stored on the 3D-Rechengitter becomes. Cases, in which a lattice point overlaps (almost) with an overlap point, be through "generic small deformations ", which can be installed locally, systematically avoided.

Die zweite Darstellungsmethode ist klassisch: Es wird ein unstrukturiertes Gitter (siehe 4) automatisch aufgebaut, z.B. mit dem Marching-Cubes-Verfahren oder anderen Standardverfahren der Bildbearbeitung und Bildgebung. CAD-Darstellungen sind auch möglich, aber in der Regel zu teuer zu erzeugen. Sie können z.B. bei der Generierung von Testgeometrien sinnvoll verwendet werden. Standardformats der größten CAD-Softwarehersteller sowie auch weitere Standardformats wie z.B. STL, werden aus diesem Grund einlesbar und in eine interne Darstellung der Oberflächen-Geometrie automatisch umzuwandeln sein. Das Verhältnis von jedem Punkt dieser Darstellung zum 3D-Rechengitter ist aufgrund der maximal vereinfachten Struktur des isotropen Rechengitters leicht zu ermitteln, auch wenn sich das Wandgitter nach jedem Zeitschritt bewegt hat. Diese Methode ist für größere Wandabweichungen, wie z.B. ein großes Aneurysma oder Teile der Aorta, gut geeignet.The second method of presentation is classic: it becomes an unstructured grid (see 4 ) automatically, eg with the marching cubes method or other standard methods of image processing and imaging. CAD representations are also possible, but usually too expensive to produce. For example, they can be used meaningfully when generating test geometries. For this reason, standard formats of the largest CAD software manufacturers as well as other standard formats such as STL will be readable and automatically converted into an internal representation of the surface geometry. The ratio of each point of this representation to the 3D computational grid is easy to determine due to the maximum simplified structure of the isotropic computational grid, even if the wall grid has moved after each time step. This method is well suited for larger wall deviations, such as a large aneurysm or parts of the aorta.

Bei der "virtuellen Operation" von Gefäßdeformationen wird der räumliche Verlauf der Gefäßwände bezüglich des 3D-Rechengitters verändert und gegebenenfalls werden auch Implantate zur Geometriebeschreibung zugefügt, indem ihre "Skelette" (siehe Geometriebestimmung) erst an den Wandverlauf angepaßt und danach aufgebereitet (siehe oben) werden oder indem interaktiv ausgewählte Teilbereiche des durchströmten Gefäßvolumens nicht mehr als Blut, sondern als poröses Medium (s.o.) gekennzeichnet wird. Zur Änderung der Wandgeometrie wird in jedem Fall ein unstrukturiertes 2D-Gitter manipuliert. Gegebenfalls wird das Endergebnis der Geometrieänderung von der Form eines deformierten 2D-Gitters in eine neue Kennzeichnung der wanddurchdringenden Gitterpunktverbindungen auf dem fixierten 3D-Rechengitter umgerechnet. Für die Manipulation des unstrukturierten 2D-Gitters wird ein Teil seiner Punkte interaktiv ausgewählt und danach als elastisch verbunden gekennzeichnet. Dessen Ausgangslage wird als Referenzkonfiguration betrachtet, in der keine unausgeglichenen Spannungen vorliegen. Der Rest der Punkte bleibt fixiert.In the "virtual operation" of vascular deformations, the spatial progression of the vascular walls is changed with respect to the 3D arithmetic grid and implants are also added to the geometry description by their "skeletons" (see geometry determination) first adapted to the wall and then prepared (see above) or by interactively selected portions of the flowed-through vessel volume is no longer characterized as blood, but as a porous medium (see above). In any case, an unstructured 2D grid is manipulated to change the wall geometry. Optionally, the final result of the geometry change from the shape of a deformed 2D grating to a new designation of the wall penetrating grating point connections on the 3D fixed grating is converted. For the Ma nipulation of the unstructured 2D grid, some of its points are interactively selected and then marked as elastically connected. Its starting position is considered as a reference configuration in which there are no unbalanced voltages. The rest of the points remain fixed.

Die Möglichkeit, Wandbewegungen nachzubilden und mit pulsierender Strömung nach der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) gekoppelt zu betrachten, stellt einen entscheidenden Vorteil der Erfindung dar. Dabei können die Wandbewegungen synthetisch aus 2D-Darstellungen, insbesondere als Gitter, ebenso aus mehreren Tomographieaufnahmen ermittelt werden. Die modernen Tomographiegeräte lassen eine Aufnahme zeitperiodischer Bewegungen des Herzens oder von größeren Aneurysmen zu. Über die Kopplung mit der Strömung kann die mechanische Belastung der Wand bestimmt werden, ohne daß irgendein invasiver Eingriff vorgenommen werden muß. Diese Vorgehensweise ist genauer und kostengünstiger als direkte Aufnahmemethoden (Ultraschall, Sine-Konstrast-MRI) für die Erfassung der Blutströmung und erlaubt eine zuverlässige Einschätzung der Wandspannungen. Bei der Bearbeitung einer Zeitreihe von Aufnahmen wird ein Zustand, der dem am Ende der Diastole vorgefundenen nahe liegt, als Referenzkonfiguration erzeugt.The Possibility, Trace wall movements and with pulsating flow to Considering the Lattice-Boltzmann method (LBM) coupled a decisive advantage of the invention Wall movements synthetically from 2D representations, especially as lattices, also be determined from several tomographic images. The modern ones tomography devices leave a recording of time-periodic movements of the heart or of larger aneurysms too. About the Coupling with the flow The mechanical load of the wall can be determined without any invasive intervention must be made. This procedure is more accurate and cheaper as direct recording methods (ultrasound, Sine Contrast MRI) for acquisition the bloodstream and allows a reliable assessment the wall tensions. When editing a time series of recordings becomes a condition similar to that found at the end of diastole is created as a reference configuration.

Durch grafisch interaktive Bewegung einzelner "elastischer" Punkte in der selbstständigen Wanddarstellung kann die Lage aller anderen Punkte verändert werden. Nach jeder Bewegung werden einander sehr nahe gekommene Punkte in einem Punkt vereinigt und es wird danach die Möglichkeit gegeben, eine automatische Optimierung der Anzahl und Lage der "elastischen" Punkte auf dem 2D-Gitter zu veranlassen. Veränderungen in der Topologie der gesamten Gefäßgeometrie werden anhand der bereits vorhandenen Achsenstruktur nach jeder Bewegung automatisch erkannt und gleich signalisiert.By graphically interactive movement of individual "elastic" points in the independent wall display the position of all other points can be changed. After every movement are combined very close points in one point and then it will be given the opportunity an automatic optimization of the number and location of the "elastic" points on the 2D grid too cause. changes in the topology of the entire vessel geometry are based on the already existing axis structure automatically after each movement detected and signaled the same.

Verfahren zur "Aufblasung" der Implantate, unter Einbeziehung ihrer elastischen Eigenschaften, bis sie gegen die Gefäßwände fest gedrückt sind, scheinen nicht in geeigneter Form in der Literatur berichtet zu sein. Dessen Prinzip soll die numerische Berechnung der Verdrängung und Deformierung des Implantats aus einem Ausgangszustand sein, die von der Referenzform des Implantats und einer Ausgangslage bestimmt wird, die interaktiv von einer Bedienungsperson, z.B. vom Arzt, vorgegeben wird. Sobald das Implantat nach einer Bewegung in die Richtung einer Gefäßwand sie an einem Punkt erreicht hat, wird es als hyperelastisches bzw. elasto-plastisches Objekt (als 3D-Körper, als Hülle oder als Vernetzung verknüpfter "Drähte") dargestellt. Während der weiteren Anpassung der Lage des Implantats wird die Gefäßwand bei typischen Anwendungen unbeweglich und steif gehalten. Bei der Ausbreitung des "Ballons" wird die benötigte Kraft (gegen den Widerstand des Implantats) ermittelt und es wird eine maximale (verstellbare) Kraft und der minimale Gefäßdurchmesser im Ballonbereich nicht überschritten. Am Ende wird der "virtuelle Ballon" entfernt. Das gesamte Verfahren der Plazierung eines Implantats schließt keine Berücksichtigung des im Gefäß vorhandenen Blutes ein. Die entstandene Geometrie wird weiter genau so behandelt, wie bei bereits tatsächlich im Patienten plazierten Implantaten, deren Lage wie oben beschrieben registriert worden ist.method to "inflate" the implants, under Incorporating their elastic properties until they are against the Vascular walls firmly depressed are not, adequately reported in the literature to be. Its principle is the numerical calculation of the displacement and Deformation of the implant to be from an initial state, the determined by the reference shape of the implant and a starting position being interactively activated by an operator, e.g. from the doctor, is given. Once the implant is in the direction of movement a vessel wall she reached at one point, it is called hyperelastic or elasto-plastic Object (as a 3D body, as a shell or as interconnected "wires"). During the further adjustment of the position of the implant, the vessel wall is at typical applications immovable and rigid. In the spread the "balloon" becomes the needed force (against the resistance of the implant) and it will be a maximum (adjustable) force and minimum vessel diameter not exceeded in the balloon area. In the end, the "virtual Balloon "removed entire procedure of placement of an implant does not exclude consideration of the vessel present Blood. The resulting geometry will continue to be treated exactly the same way as already actually placed in the patient implants, their location as described above has been registered.

Strömungssimulation: Die Blutströmung wird als inkompressibel modelliert. Die Bestimmung des Drucks wird dennoch durch zwei Faktoren erschwert: Einerseits erlaubt die Elastizität der Gefäßwände die Ausbreitung von Druckwellen, die in der Standardformulierung inkompressibler Strömungslöser-Algorithmen nicht behandelt werden können. Andererseits stellt jede sehr komplexe Geometrie eine Voraussetzung für Schwierigkeiten bei der Lösung der Poisson-Aufgabe für die augenblickliche Druckverteilung dar. Z.B. ist der Druck auf Gebieten mit "Löchern" nicht eindeutig definiert. Dieses Problem wird mit dem Einsatz von Lattice-Boltzmann-Lösern vermieden, da der Druck dabei mittels numerischer "Druckwellen", also qualitativ gemäß der eigentlichen Physik, und nicht mittels Poisson-Lösern errechnet wird. Vergleiche zwischen LBM und FVM bei der Lösung von laminaren Strömungen in einem "generischen porösen Medium" (siehe oben) haben gezeigt, daß die LBM-Lösung für den Druck wesentlich besser konvergiert. Dabei haben die "inkompressiblen" Varianten der bestens bekannten LBM technische und weitere Vorteile. Das Problem der elastischen Wände wurde bereits diskutiert.Flow simulation: The blood flow is modeled as incompressible. The determination of the pressure is nevertheless complicated by two factors: On the one hand, the elasticity of the vessel walls allows the spread of pressure waves incompressible in the standard formulation Flow solver algorithms can not be treated. On the other hand, every very complex geometry is a prerequisite for difficulties at the solution the Poisson task for the instantaneous pressure distribution. is the pressure on Areas with "holes" not unique Are defined. This problem is avoided with the use of Lattice Boltzmann solvers, because the pressure thereby by means of numerical "pressure waves", thus qualitatively according to the actual Physics, and is not calculated by means of Poisson solvers. comparisons between LBM and FVM in solving laminar flows in a "generic porous medium" (see above) shown that the LBM solution for the Pressure converges much better. The "incompressible" variants have the best known LBM technical and other benefits. The problem of elastic Walls became already discussed.

Darüber hinaus kann die nicht-Newtonsche Rheologie des Blutes auch einen maßgeblichen Einfluß haben, besonders in Strömungsgebieten mit sehr niedriger Blutgeschwindigkeit, z.B. innerhalb von großen Aneurysmen oder in Kapillaren. In großen Adern dagegen ist eine Annahme Newtonscher Rheologie nahezu problemlos. Eine Ausnahme sind Fälle, in denen die Wandspannung untersucht werden soll. Ein etabliertes Modell für die Blutrheologie ist bisher nicht bekannt, obwohl mehrere Messungen unternommen worden sind. Besonders bei der Modellierung von teilweise durchströmbaren Teilen des Gefäßlumens als poröse Medien zeichnet sich die Notwendigkeit ab, Tensormodelle für die Viskosität (sowie die Diffusion unterschiedlicher Blutanteile und mitgetragener Stoffe) anzuwenden.Furthermore The non-Newtonian rheology of the blood can also be a decisive one Have influence, especially in flow areas with very low blood velocity, e.g. within large aneurysms or in capillaries. In big Veining, on the other hand, is an assumption of Newtonian rheology almost without problems. An exception are cases in which the wall tension is to be examined. An established Model for Blood rheology is not yet known, although several measurements have been made have been. Especially in the modeling of partially through-flow parts of the vessel lumen as porous Media is emerging the need for tensor models for viscosity (as well as the diffusion of different blood components and entrained substances) apply.

Bisherige LBM-Anwendungen haben stets skalare (auch nicht-Newtonsche, z.B. turbulente) Viskositätsmodelle zum Einsatz gebracht. Dennoch gibt es noch wenig erprobte Ansätze, die den Einsatz von Tensormodellen erlauben, z.B. in dem der Spannungs tensor in die Definition der LBM-Gleichgewichts-Funktion einbezogen wird. Wenn es zur Strömungsnachbildung erforderlich wird, auf komplizierte Spannungsensoren zurückzugreifen, kann es auch notwendig werden, Information aus benachbarten Voxeln zu verwenden und Finite-Differenzen zu berechnen.Previous LBM applications have always used scalar (also non-Newtonian, eg turbulent) viscosity models. Nevertheless, there are still few tried-and-tested approaches that allow the use of tensor models, eg in which the stress tensor is included in the definition of the LBM equation weight function is included. If flow modeling requires the use of complicated voltage sensors, it may also be necessary to use information from adjacent voxels and calculate finite differences.

Die vollkommene Lokalität bei allen LBM-Algorithmen führt zu einer hervorragenden Skalierung auf Parallelrechnern. Die Anzahl von Operationen und von Freiheitsgraden pro Gitterpunkt ist moderat, so daß auf Prozessoren mit ausreichendem "schnellen Speicher" (Vektor-Register bzw. Cache-Levels) eine hohe Rechengeschwindigkeit erreicht wird. Die Lokalität erlaubt sogar die Berechnung einer guten Näherung des gesamten Spannungstensors nur aus Daten, die auf dem jeweiligen Gitterpunkt lokal vorhanden sind. Besonders in Wandnähe ist dies ein Vorteil vor FVM oder Finite-Differenzen-Methoden (FDM), da die genaen Position und Bewegung der Wand nicht direkt in der Spannungsberechnung benötigt wird. Es liefert auch einen Effizienzvorteil bei der Berechnung von Spannungen. Wenn die FDM-Näherung dennoch berechnet wird, kann sie durch einen Vergleich mit dem Ergebnis der "lokalen" Berechnung der Spannungen einen empfindlichen Test der Genauigkeit in der LBM-Berechnung bei höheren Reynoldszahlen liefern. Der vollexplizite Charakter der LBM bedeutet, daß alle Berechnungen mit dieser Methode einen ausreichend kleinen Zeitschritt erfordern (siehe oben). Andererseits stellt die Notwendigkeit, den Pulsverlauf verläßlich zu diskretisieren, eine ähnliche Anforderung. Der Vergleich beider Einschränkungen ist von dem Erfinder als eine Bestätigung dafür empfunden worden, daß der explizite Charakter der Rechnungen bei Blutgefäßen keine wesentliche Rolle spielt. Die Auflösung, die bei den steilen Zeitgradienten des Druckverlaufs an verschiedenen Orten mit entsprechender Verzögerung erforderlich ist, bedingt die Auswahl des Zeitschritts auf einen konstanten und kleinen Wert. Damit können pulsierende Strömungen, bei denen die Druckschwankungen einen komplexen Zeitverlauf haben, dargestellt werden und insbesondere feine und schnelle Bewegungen im Fluid miterfaßt werden. Implizite Verfahren auf der Basis von LBM (aber meistens mit einer räumlichen Diskretisierung durch FEM oder FVM und nicht, wie bei den Standard-LBM, daß auch in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen ist, durch FDM) sind für statische Probleme entwickelt worden. In dem hier betrachteten Fall haben diese keine Vorteile. Stattdessen wird hier bei stationären Aufgaben auf LBM-MG gesetzt.The perfect locality leads to all LBM algorithms to an excellent scaling on parallel computers. The number of operations and degrees of freedom per grid point is moderate, so that on Processors with sufficient "fast Memory "(Vector Register or cache levels) a high computing speed is achieved. The locality even allows the calculation of a good approximation of the total stress tensor only from data that exists locally on the respective grid point are. Especially near the wall is this an advantage over FVM or finite difference methods (FDM), because the genaen position and movement of the wall is not directly in the Voltage calculation needed becomes. It also provides an efficiency advantage in the calculation of tension. If the FDM approximation Nevertheless, it can be calculated by comparing it with the result the "local" calculation of the voltages a sensitive test of accuracy in the LBM calculation higher Reynolds numbers deliver. The vollexplic character of the LBM means that all Calculations with this method require a sufficiently small time step (see above). On the other hand, the need to adjust the pulse history reliable too discretize, a similar one Requirement. The comparison of both limitations is by the inventor as a confirmation felt for it been that the explicit character of the calculations in blood vessels is not essential plays. The resolution, the at the steep time gradients of the pressure curve at different Places with appropriate delay is required, requires the selection of the time step to a constant and small value. This allows pulsating flows, where the pressure fluctuations have a complex time course, be presented and in particular fine and fast movements also included in the fluid become. Implicit procedures based on LBM (but mostly with a spatial Discretization by FEM or FVM and not, as with the standard LBM, that too in the method according to the invention provided by FDM) are designed for static problems Service. In the case considered here, these have no advantages. Instead, LBM-MG is used here for stationary tasks.

Post-Processing: Die wichtigsten Größen bei der Einschätzung der mechanischen Belastung von Gefäßwänden sind die von dem Blutstrom übertragenen Spannungen. Alle Komponenten des Spannungstensors, differenziert in einen viskosen und einen Druckanteil, werden bei DNS mit LBM an jedem Gitterpunkt innerhalb des durchströmten Gebiets zu jedem Zeitschritt als Teil des Simulationsverfahrens und nicht als zusätzliche Rechenlast unabhängig von anderen Punkten und Zeiten berechnet, was die Erstellung von Zeitreihen an voraus von dem Arzt bestimmten Kontrollpunkten erleichtert. Anhand dieser Daten können nach Beendung der Simulation Statistiken wie z.B. ein Oszillationsindex für die Scherspannung (als Vektor tangential zur Wand) sehr schnell errechnet und dargestellt werden. Eine Berechnung von Statistiken während der Simulation verursacht einen wesentlichen Zeitaufwand und soll nur dann eingeschaltet werden, wenn räumlich gemittelte Statistiken, wie z.B. der globale Massenstrom durch einen gewissen Querschnitt oder effektiv die Verweilzeit in einem ausgewählten Volumenteil des durchströmten Gebietes gewünscht werden.Post-Processing: The most important sizes in the assessment The mechanical loading of vessel walls is that transmitted by the bloodstream Tensions. All components of the stress tensor, differentiated in a viscous and a pressure component, in DNS with LBM at each grid point within the area through which it flows at each time step as part of the simulation process and not as additional Independent load calculated from other points and times, what the creation of Facilitates time series at checkpoints determined by the physician. Based on this data can after completion of the simulation statistics such. an oscillation index for the Shear stress (as a vector tangential to the wall) calculated very quickly and be presented. A calculation of statistics during the Simulation causes a significant amount of time and should only then turned on when spatially averaged statistics, such as. the global mass flow through a certain cross-section or effectively the residence time in a selected volume portion of the area through which it has passed required become.

Neben den Spannungen können auch weitere hydrodynamische Felder, wie die 3D-Vektorfelder der Geschwindigkeit oder des Wirbels (berechnet als Anwendung einer Finite-Differenzen-Näherung des Rotationsoperators an das Geschwindigkeitsfeld), wichtige Informationen liefern. Da die Strukturen dieser Felder einem Strömungsmechaniker vertraut und für diesen aussagekräftig sind, einem Arzt aber mit großer Wahrscheinlichkeit von wenig Bedeutung erscheinen werden, müssen ihre Auswirkungen auf die Wandspannungen, Verweilzeit, etc. dem Arzt auf Verlangen mit einfachen und leicht verfügbaren Erklärungen vertraut gemacht werden können. Z.B. sollen starke Wirbel als Gebiete mit niedrigem relativen Druck innerhalb des Lumens und potentiell hohen Wandscherungsraten bezeichnet werden oder sollte die Länge von Stromlinien als Indikator möglicher Verklottung oder Plaquenbildung benutzt werden, usw. Einstellbare Schwellwerte und die automatische numerische Angabe der abschätzbaren Belastungen erleichtern oder gar ermöglichen erst für einen Arzt die Identifizierung und Auswertung der Gefahr individueller Gefäßdeformationen.Next the tensions can Also, other hydrodynamic fields, such as the 3D vector fields of Speed or vortex (calculated as the application of a Finite difference approximation the rotation operator to the velocity field), important information deliver. Because the structures of these fields are a fluid mechanic familiar and for this meaningful are, but a doctor with great Probability of little importance will have to be theirs Effects on the wall stresses, residence time, etc. the doctor be made available on request with simple and readily available explanations can. For example, are said to be strong vortexes as areas of low relative pressure within the lumen and potentially high wall shear rates be or should the length of streamlines as an indicator of possible fouling or plaque formation, etc. Adjustable thresholds and facilitate the automatic numeric indication of the assessable loads or even allow only for a doctor's identification and evaluation of the risk of individual Vessel deformations.

Zusätzlich sollen auch die für CFD- und Visualisierungs-Software üblichen Darstellungsmodalitäten verfügbar sein, wie z.B. die mit einem Beispiel vorgestellten 3D-Isoflächen von Geschwindigkeit (oder anderen Vektorfeldern wie dem Druckgradienten und Skalarfeldern wie der Konzentration eines Präparats im Blut), Strömungslinien, Streichlinien und LIC-Verfahren (Linienintegralfaltung). Lokal räumlich und zeitlich (in-phase) gemittelte Daten können leicht auf das ursprüngliche DICOM-Raster projiziert werden. Der pulsierende Anteil der Geschwindigkeit und des Wirbels in ausgewählten Schnitten können ohne großen Aufwand während der Simulation errechnet und danach visualisiert werden.In addition, should also for CFD and visualization software common presentation modalities available such as. the 3D isosurfaces of an example presented by Speed (or other vector fields such as the pressure gradient and scalar fields such as the concentration of a preparation in the blood), flow lines, Streaks and LIC (line integral folding). Local spatial and time-averaged (in-phase) averaged data can easily match the original one DICOM grid can be projected. The pulsating part of the speed and the vortex in selected Can cuts without big ones Effort during The simulation can be calculated and then visualized.

Darstellungen der Ergebnisse werden immer in einem Standardformat (DICOM) gespeichert, um die automatische Dokumentierung, aber auch die 3D-Visualisierung (durch Rotation, Zoomen, etc.) mit bereits vorhandener und vertrauter Software für die medizinische Bildgebung zu erleichtern. Die Auflösung der Ergebnisdaten muß vor der Simulation gewählt werden und soll nicht gröber als die der des ursprünglichen 3D-Tomographie-Datensatzes sein. Die während der Simulation eigentlich in der Zeit fortbewegten Felder sind viel zu groß und dazu auch nicht direkt in der medizinischen Praxis brauchbar, um ihr Speichern zu rechtfertigen.Representations of the results are always stored in a standard format (DICOM) to support automatic documentation, but also the To facilitate 3D visualization (through rotation, zooming, etc.) with pre-existing and familiar software for medical imaging. The resolution of the result data must be chosen before the simulation and should not be coarser than that of the original 3D tomography data set. The fields actually moving in time during the simulation are much too large and are not directly usable in medical practice to justify their storage.

Die Erfindung wird im folgenden weiter anhand von Beispielen und der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:The Invention will be further on the basis of examples and the Drawing explained. In the drawing show:

1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 a schematic representation of the method according to the invention,

2 eine schematische Darstellung des ausschließlich auf rechteckigen Gittern und in der Form von Voxelinformation erfolgenden automatisierten 3D-Datenflusses bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, 2 3 is a schematic representation of the automated 3D data flow taking place exclusively on rectangular grids and in the form of voxel information in the method according to the invention;

3 ein Beispiel einer binär-segmentierten realen Gehirngefäßgeometrie, bei dem das im Zentrum liegende Aneurysma deutlich erkennbar ist, 3 an example of a binary-segmented real brain vessel geometry in which the aneurysm in the center is clearly visible,

4 eine automatische Vernetzung der Oberfläche der in 2 dargestellten Geometrie mit einer unstrukturierten 2D-Datei mittels einen in kommerzieller Software implementierten Marching-Cubes-Algorithmus, 4 an automatic networking of the surface of the 2 geometry with an unstructured 2D file using a marching cubes algorithm implemented in commercial software,

5 eine Momentaufnahme der Größe einer Geschwindigkeitskomponente für ein dargestelltes Gefäß, dargestellt als Isoflächen, die einem positiven ("hellgrau"), einem negativen ("dunkelgrau") und dem Nullwert ("gepunktelt grau") entsprechen. 5 a snapshot of the magnitude of a velocity component for an illustrated vessel, represented as isosurfaces that correspond to a positive ("light gray"), a negative ("dark gray"), and zero ("dotted gray").

6 eine Darstellung eines augenblicklichen Strömungszustandes, bei der die getönten Linien tangential entlang dem Geschwindigkeitsvektorfeld verlaufen und die Größe des Geschwindigkeitsvektors lokal durch die Tönung kodiert ist, 6 a representation of an instantaneous flow state in which the tinted lines tangentially along the velocity vector field and the size of the velocity vector is locally encoded by the tint,

7 Staugebiete, Aufwirbelungsgebiete und ein Laminargebiet einer Gefäßstruktur, dargestellt durch ein in kommerzieller Software implementiertes LIC-Verfahren, 7 Stowage areas, fluidization areas, and a laminar area of a vessel structure represented by a LIC method implemented in commercial software;

8 den Zeitverlauf von Geschwindigkeitskomponenten entlang der drei im Raum und in der Zeit fixierten Koordinatenrichtungen des kartesischen Rechengitters an einem Kontrollpunkt innerhalb eines Aneurysmas und 8th the time course of velocity components along the three fixed in space and in time coordinate directions of the Cartesian computational grid at a control point within an aneurysm and

9 den Zeitverlauf von Scherspannungskomponenten an einem Kontrollpunkt innerhalb eines Aneurysmas wie in 9, wobei die nicht-diagonalen Elemente des hydrodynamischen Spannungstensors dargestellt sind. 9 the time course of shear stress components at a control point within an aneurysm, as in FIG 9 showing the non-diagonal elements of the hydrodynamic stress tensor.

1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine der Hauptvoraussetzungen für die höhere Effizienz des Verfahrens im Vergleich mit bisherigen Ansätzen ist die Beschränkung aller auftretenden 3D-Datenstrukturen auf rechteckige gleichmäßige Gitter, was in 2 schematisch dargestellt ist. Für 1D- (z.B. Raumkurven) und 2D- (z.B. Gefäßwanddarstellungen) Daten gelten keine derartigen Beschränkungen. Dadurch wird die Effizienz kaum beeinträchtigt, da die Daten niedriger Dimension in schnellen Speicherarten auf gegenwärtigen Rechnern gelagert werden können, und deswegen, besonders bei insgesamt größeren Rechengittern, einen unwesentlichen Anteil der Zugriffs- und Rechenzeit in Anspruch nehmen. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention. One of the main requirements for the higher efficiency of the method in comparison with previous approaches is the limitation of all occurring 3D data structures to rectangular uniform grids, what in 2 is shown schematically. For 1D (eg space curves) and 2D (eg vascular wall representations) data, no such restrictions apply. As a result, the efficiency is hardly affected because the low-dimension data in fast memory types can be stored on current computers, and therefore, especially with larger overall computing grids, take up a negligible amount of access and computation time.

Als Anwendungsbeispiel ist ein Gehirnaneurysma veranschaulicht, das eine ausreichend komplexe Geometrie aufweist. Die Ergebnisse der Schritte des erfindungsgemäßem Verfahrens werden hier einheitlich dargestellt.When Application example is illustrated by a brain aneurysm that has a sufficiently complex geometry. The results of Steps of the inventive method are represented here uniformly.

3 zeigt eine binär-segmentierte Gehinrgefäßgeometrie mit im Zentrum liegenden Aneurysma, das deutlich erkennbar ist. 4 zeigt die Oberfläche der in 3 erscheinenden Gefäßstruktur, in einer Vernetzung mit einer unstrukturierten 2-D Datei. 3 shows a binary-segmented brain-vessel geometry with aneurysm in the center that is clearly visible. 4 shows the surface of in 3 appeared vascular structure, in a network with an unstructured 2-D file.

Bei der in 5 gezeigten Momentaufnahme einer Geschwindigkeitskomponente ist angesichts der Haftbedingungen an den Ge fäßwänden die gesamte Fläche der Wände in gepunkteltem Grau zu sehen. Das Gefäßinnere ist dunkelgrau dargestellt. Unmittelbar vor dem großen Bogen des Hauptgefäßes wird ein Teil des Stroms in das krankhafte Gebilde abgelenkt. Erwartungsgemäß ist dies nur ein sehr kleiner Teil des gesamten Stromvolumens. Wie 6 veranschaulicht, sind innerhalb des Aneurysmas die Geschwindigkeiten sehr niedrig und ein Staugebiet kann in dem gespitzten Teil des Sackes erkannt werden.At the in 5 shown snapshot of a velocity component is to see the entire surface of the walls in dotted gray given the conditions of adhesion to the vessel walls. The inside of the vessel is shown in dark gray. Immediately before the large arc of the main vessel, part of the flow is diverted into the pathological structure. As expected, this is only a very small part of the total electricity volume. As 6 As can be seen, within the aneurysm the velocities are very low and a stagnation area can be detected in the sharpened part of the bag.

7 veranschaulicht eine auf dem LIC-Verfahren beruhende Darstellung auf einer Oberfläche innerhalb der Gefäßstruktur, deren Abstand von der Gefäßwand regelmäßig klein ist. Die Staugebiete (mit erhöhten Druckbelastungen), Aufwirbelungsgebiete (wo eine relativ höhere Scherspannung für besseren Ausbau der Wand sorgt) und das Laminargebiet sind sehr deutlich erkennbar. 7 Figure 11 illustrates a LIC-based representation on a surface within the vessel structure whose distance from the vessel wall is regularly small. The damming areas (with increased pressure loads), fluidization areas (where a relatively higher shear stress ensures better expansion of the wall) and the laminar area are very clearly visible.

In 8 und 9 ist der Zeitverlauf von hydrodynamischen Größen an einem Kontrollpunkt innerhalb des Aneurysmas dargestellt. 8 zeigt Geschwindigkeitskomponenten und 9 Scherspannungskomponenten. Der Pulsverlauf ist klar erkennbar. Wegen der sehr niedrigen Geschwindigkeiten innerhalb des Aneurysmensacks ist eine genaue Periodizität auch nach 10 Pulsperioden noch nicht erreicht. Der Zeichenwechsel einer der Spannungskomponenten, was auch mit einem standardisierten Skalarindex darstellbar ist, weist auf erhöhte mechanische Belastung.In 8th and 9 the time course of hydrodynamic quantities at a control point within the aneurysm is shown. 8th shows Ge speed components and 9 Shear stress components. The pulse progression is clearly recognizable. Because of the very low speeds within the aneurysmal sac, a precise periodicity is not reached even after 10 pulse periods. The change of sign of one of the voltage components, which can also be represented by a standardized scalar index, indicates increased mechanical load.

Der größte Aufwand bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht die Segmentierung und (anders als bei manchen der bekannten Ansätze zur numerischen Blutstromsimulation) auch nicht die Vernetzung der Gefäßgeometrie, sondern die rein rechnerische Leistung zur aufgelösten numerischen Simulation. Die entstehenden großen Datenmengen sind nur nach wesentlicher Bearbeitung und Reduktion für einen praktischen Entscheidungsprozeß verwertbar, dann aber läßt die gute Auflösung weitgehende Schlußfolgerungen über den Zusammenhang zwischen den Zustand der Gefäßwände und der hämodynamischen Belastungen zu.Of the biggest effort in the application of the method according to the invention is not the Segmentation and (unlike some of the known approaches to numerical blood flow simulation) also not the cross-linking of the vessel geometry, but the purely computational power for the solved numerical simulation. The resulting big ones Data volumes are only after essential processing and reduction for one practical decision making process, but then the good one leaves resolution extensive conclusions about the Relationship between the condition of the vessel walls and the hemodynamic Loads too.

Die Erfindung läßt sich wie folgt zusammenfassen: Dreidimensionale (3-D) Grauwertdaten aus Tomographie-Aufhahmen (MRT oder Röntgen-CT) werden mit Varianten geeigneter bekannter Algorithmen für medizinische und allgemeine Bildgebung binär segmentiert. Entstandene 3-D Gefäßgeometrien werden für eine aufgelöste numerische Simulation ihrer Durchströmung auf kubischen Rechengittern mit Lattice-Boltzmann-Strömungslösern verwendet. Benötigte Randbedingungen werden aus spezifisch entwickelten Datenbanken oder, insofern machbar, aus individuellen nichtinvasiven Messungen extrahiert. Nur wo und wenn die Wanddynamik wichtig ist, wird sie mittels immersed-boundary, immersed-interface oder ähnlichen Verfahren mitsimuliert. Alternativ kann sie aus zeitaufgelösten (4-D) Tomographiedaten mit denselben Segmentierungs-Verfahren erstellt werden, was einen geringeren Rechenaufwand und durch Verzicht auf eine Modellierung der Wandbeschaffenheit auch einen geringeren Rechenfehler verursacht. Im Patienten vorhandene Implantate, Vasoplastik, Plaquen und ähnliches werden identifiziert und in die Simulationsgeometrie eingebracht, wie auch virtuelle (im Patienten noch nicht entstandene) Geometrieänderungen, Implantate und ähnliches mit rechnerisch unaufgelöster Feinstruktur als elastischer, poröser Körper modelliert. Ausschließliche Verwendung finden rechteckige kartesischen Gitter für 3D-Daten und die Lattice-Boltzmann-Methode erfahren sichert Effizienz (wenige Stunden Rechnung, maximal 1 Stunde Arzteinsatz pro Patient), Standardisierung (Gebrauch erfordert keine nicht-medizinische Ausbildung, Eingaben und Ergebnisse in DICOM-Format) und Genauigkeit.The Invention can be summarized as follows: Three-dimensional (3-D) grayscale data from tomographic scans (MRI or X-ray CT) with variants of suitable known algorithms for medical and general Imaging binary segmented. Be created 3-D vessel geometries for one resolution numerical simulation of their flow on cubic computing grids used with Lattice Boltzmann flow solvers. needed Boundary conditions are derived from specifically developed databases or, insofar feasible, extracted from individual noninvasive measurements. Just where and if the wall dynamics is important, it is using immersed-boundary, immersed-interface or similar Method mitsimuliert. Alternatively, it can be made from time-resolved (4-D) Tomography data are created using the same segmentation methods, which requires less computation and no modeling The wall condition also causes a lower calculation error. In the patient existing implants, vasoplasty, plaques and the like are identified and incorporated into the simulation geometry, as well as virtual (in the patient not yet created) geometry changes, Implants and the like with mathematically unresolved Fine structure modeled as an elastic, porous body. Exclusive use find rectangular Cartesian grids for 3D data and the Lattice Boltzmann method Experience ensures efficiency (just a few hours, a maximum of 1 hour) Physician use per patient), standardization (use does not require non-medical education, inputs and results in DICOM format) and accuracy.

Zwar ist die Erfindung obenstehend im Zusammenhang mit Blutgefäßen beschrieben worden, sie soll jedoch nicht hierauf beschränkt sein, insbesondere auch andere fluidführende Gefäße mitumfassen.Though the invention is described above in connection with blood vessels However, it should not be limited to this, in particular also other fluid-carrying Include vessels.

Claims (32)

Verfahren zur Darstellung von dreidimensionalen Strömungsdaten in fluidführenden Gefäßen des menschlichen oder tierischen Körpers unter Verwendung der Lattice-Boltzmann-Methode, bei dem dreidimensionale Gewebestrukturdaten auf regelmäßigen Datengittern (Geometrie-Voxeldaten) des darzustellenden Gefäßbereichs einschließlich dessen Wandung verwendet werden, dieselben Datengitter oder daraus vollautmatisch erzeugte regelmäßige isotrope Rechengitter (Voxel-Gitter) für die Gefäßdarstellung und für die Bestimmung des Strömungsverlaufs ausgewählt werden und der Verlauf der Fluidströmung in zeitlichen Schritten bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere zu untersuchende Gefäßabschnitte ausgewählt werden, ein Bereich des Gefäßes aus den dreidimensionalen geometrischen Daten ausgewählt wird, der den oder die Gefäßabschnitte enthält und in dem die Strömungszustände dargestellt werden sollen, die dreidimensionalen geometrischen Daten zur Darstellung der Gefäßwände segmentiert werden, die Ein- und Ausströmrandflächen des Gefäßbereiches festgelegt werden, die Gitterrastergröße des Rechengitters abhängig von den Abmessungen des ausgewählten Gefäßbereiches und den Parametern der darin stattfindenden Strömung ausgewählt wird, das Rechengitter zerlegt wird und die Teile des Gitters eliminiert werden, die keine durch- oder angeströmten Voxel enthalten, die zeitliche Bestimmung der Fluidströmung so lange durchgeführt wird, bis die Strömungsdarstellung ausreichend genau ist, die für die Darstellung vorgesehenen Charakteristiken der Strömung und der mechanischen Belastung der Gefäßwände aus der Strömungslösung bestimmt werden und die Ergebnisse in für die Bildgebung oder Archivierung optimierte Datenstrukturen übertragen und gespeichert werden.Method for displaying three-dimensional flow data in fluid-conducting vessels of the human or animal body using the Lattice-Boltzmann method, in which three-dimensional tissue structure data are used on regular data lattices (geometry voxel data) of the vascular area to be displayed, including the wall, the same data lattice or generated fully automatically regular isotropic computing grid (voxel grid) are selected for the vessel representation and for the determination of the flow path and the course of the fluid flow is determined in temporal steps, characterized in that one or more to be examined vessel sections are selected, an area of the vessel from the three-dimensional geometric data is selected containing the vessel sections or in which the flow conditions are to be displayed, the three-dimensional geometric data for representation segmenting the vessel walls, defining the inlet and outflow edge areas of the vascular area, selecting the mesh grid size of the computational grid depending on the dimensions of the selected vascular area and the parameters of the flow therein, dissecting the computational grid, and eliminating those parts of the grid that do not or flowed voxels, the timing of the fluid flow is performed until the flow representation is sufficiently accurate, the presentation characteristics of the flow and mechanical loading of the vessel walls from the flow solution are determined and the results in for imaging or archiving optimized data structures are transmitted and stored. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung des Rechengitters in Gebieten erhöht wird (Verfeinerung), in denen eine größere Zahl von Gitterpunkten benötigt wird und eine erneute Segmentierung durchgeführt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the resolution of the computing grid in areas is increased (refinement), in which a larger number needed from grid points and a re-segmentation is performed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung des Rechengitters in Gebieten herabgesetzt wird (Vergröberung), in denen eine geringere Zahl von Gitterpunkten benötigt wird.Method according to Claim 1, characterized in that the resolution of the computing grid in Ge is reduced (coarsening), in which a smaller number of grid points is needed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein für dreidimensionale Lattice-Boltzmann-Berechnungen entwickltes Mehrgitter-Verfahren (Multigrid) zur Beschleunigung verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized the existence for three-dimensional Lattice-Boltzmann calculations developed multigrid method (Multigrid) is used for acceleration. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein blockstrukturiertes Gitter verwendet wird, dessen Blöcke sich überlappen, wobei in benachbarten Blöcken die Gitterschritte im Verhältnis 1:1, 2:1 oder 3:1 sind.Method according to one of claims 1 to 4, characterized the existence block-structured grid is used whose blocks overlap, being in adjacent blocks the lattice steps in proportion 1: 1, 2: 1 or 3: 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfeinerung rekursiv und bedarfsweise in Blöcken wiederholt durchgeführt wird, bis alle Gefäße gut aufgelöst sind.Method according to one of claims 2 to 5, characterized that the Refinement recursively and if necessary repeatedly performed in blocks, until all vessels are well dissolved. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gefäßabschnitt ausgewählt wird, dem ein Gefäßstrukturteil zugefügt werden soll.Method according to one of claims 1 to 6, characterized the existence Vessel section is selected a vessel structure part be added should. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Angaben zur Geometrie des Gefäßstruk turteils, z.B. aus Tomographie- oder CAD-Daten, als Voxeldaten oder als unabhängige Datenstruktur umgewandelt werden.Method according to claim 7, characterized in that that information on the geometry of the vascular struc- ture, e.g. from tomography or CAD data, as voxel data or as an independent data structure being transformed. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensionalen geometrischen Daten des Gefäßstrukturteils aus einer gespeicherten Gefäßstrukturtabelle oder -datenbank ausgewählt werden.Method according to claim 7, characterized in that that the three-dimensional geometric data of the vessel structure part from a stored Vascular structure table or database selected become. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des zu untersuchenden Gefäßstrukturteils bestimmt wird und dessen dreidimensionale geometrische Daten in die Strukturdaten des darzustellenden Gefäßbereichs eingefügt werden.Method according to one of claims 7 to 9, characterized that the Location of the vessel structure part to be examined is determined and its three - dimensional geometric data in the structural data of the vascular area to be displayed are inserted. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensionalen geometrischen Daten des Gefäßstrukturteils oder eines Teils von diesem als poröse Struktur(en) modelliert worden sind.Method according to one of claims 7 to 10, characterized that the three-dimensional geometric data of the vessel structure part or a part from this as porous Structure (s) have been modeled. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gefäßstrukturteil ein künstliches, natürliches oder durch Bioengineering erzeugtes Implantat oder eine Vasoplastik ist.Method according to one of claims 7 to 10, characterized that the Vascular structure part an artificial, natural or by bioengineering generated implant or a vasoplasty. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gefäßstrukturteil eine Gefäßmalformation (z.B. Erweiterung, Verengung) ist.Method according to one of claims 7 to 11, characterized that the Vascular structure part a vascular malformation (e.g., dilation, narrowing). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einström- und Ausström-Randbedingungen aus einer gespeicherten Tabelle oder Datenbank anhand der gemessenen oder geschätzten lokalen Reynoldszahl und der Gefäßkrümmung ein Geschwindigkeitsprofil bestimmt wird.Method according to one of claims 1 to 13, characterized that for the inflow and outflow boundary conditions from a stored table or database based on the measured or estimated local Reynolds number and vascular curvature Speed profile is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einström- und Aus ström-Randbedingungen aus einer gespeicherten Tabelle, insbesondere Datenbank, anhand von anatomischen und physiologischen Angaben, z.B. der Lage des Gefäßes im Körper, Druckverlaufsmessungen, Körperzustandsdaten, ein oder mehrere Pulsmuster bestimmt werden und aus diesen der Pulsverlauf in der Nähe des zu untersuchenden Gefäßstrukturteils bestimmt wird.Method according to one of claims 1 to 13, characterized that for the inflow and outflow boundary conditions from a stored table, in particular database, based on anatomical and physiological indications, e.g. the position of the vessel in the body, pressure history measurements, Body condition data one or more pulse patterns are determined and from these the pulse progression near of the vessel structure part to be examined is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Darstellung der sich möglicherweise zeitlich ändernden Wandungsgeometrie ein unstrukturiertes zweidimensionales Gitter verwendet wird und vor einer Lageänderung von Punkten des zweidimensionalen Gitters die Lage der Schnittpunkte der wanddurchdringenden Gitterpunktverbindungen im Rechengitter gespeichert wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized that for the presentation which may be changing over time Wall geometry an unstructured two-dimensional grid is used and before a change in position of points of the two-dimensional Grid the location of the intersections of the wall penetrating grid point joints stored in the computational grid. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das zweidimensionale Gitter mittels bekannter Algorithmen der Bildgebung und Bildverarbeitung, z.B. des Marching-Cubes-Algorithmus, erstellt wird.Method according to claim 16, characterized in that that this two-dimensional grids using known algorithms of imaging and image processing, e.g. of the marching cubes algorithm becomes. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Gefäßbereichs separat von dem Gefäßinneren, insbesondere als zweidimensionales Gitter, insbesondere unstrukturiertes Gitter, dargestellt und mit dem für die Strömungssimulation verwendeten dreidimensionalen Rechengitter durch dynamische Gleichungen gekoppelt wird.Method according to claim 16, characterized in that that the Wall of the vessel area separately from the vessel interior, in particular as a two-dimensional grid, in particular unstructured Lattice, displayed and used with that for flow simulation three-dimensional computational grid coupled by dynamic equations becomes. Verfahren nach Anspruch 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das zweidimensionale Gitter und das Rechengitter durch die Immersed-Interface-Methode gekoppelt werden und das zweidimensionale Gitter unabhängig vom Rechengitter bei jedem Zeitschritt geändert wird und das Rechengitter dabei nicht modifiziert wird.Method according to claims 16 to 18, characterized that this two-dimensional grids and the computational grid through the immersed interface method be coupled and the two-dimensional grid independent of Computational grid is changed at every time step and the computational grid is not modified. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Gefäßbereichs dargestellt wird durch Verbinden der benachbarten Gitterpunkte, die die Wandung durchschneiden (wanddurchdringende Gitterpunktverbindungen), wobei die Lage der Schnittpunkte im Rechengitter gespeichert wird.Method according to one of Claims 16 to 18, characterized that the Wall of the vessel area is represented by connecting the neighboring grid points, which cut through the wall (wall penetrating lattice point connections), where the location of the intersections is stored in the computational grid. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekenn eichnet, daß, während ein Teil der Punkte des zweidimensionalen Gitters fixiert bleibt, die Verbindung der anderen Punkte als hyperelastisch definiert wird und von diesen Punkten die Lage ausgewählter Punkte verändert wird, womit die Lage der mit diesen Punkten elastisch verbundenen Punkte auch verändert wird.Process according to claim 20, characterized that, while one Part of the points of the two-dimensional grid remains fixed, the Connection of the other points is defined as hyperelastic and from these points the position of selected points is changed, with which the position of the points elastically connected with these points also changed becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefäßwandung aus mehreren Tomographieaufnahmen (z.B. aus Röntgen-, MRT-, Doppler-Verfahren) rekonstruiert wird, die jeweils mit dem Rechengitter gekoppelt werden. 23, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transport von Stoffen und/oder die Diffusion unerschiedlicher Blutanteile durch demselben Rechengitter zugeordnete Skalarwerte in den zeitlichen Schritten der Bestimmung der Fluidströmung gekoppelt mit bestimmt wird.Method according to one of Claims 16 to 19, characterized that the Vascular wall off several tomographic images (e.g., X-ray, MRI, Doppler) are reconstructed, each coupled to the computational grid. 23, procedures according to claim 1, characterized in that the transport of substances and / or the diffusion of different blood parts through the same computational grid associated scalar values in the temporal steps of the determination the fluid flow coupled with determined. Verfahren nach der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Spannung, der Geschwindigkeit und des Drucks im strömenden Fluid gezeigt wird.Method according to claims 1 to 23, characterized that the Distribution of the voltage, the velocity and the pressure in the flowing fluid will be shown. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Punkt des Rechengitters der Spannungstensor, aufgeteilt in einen viskosen und einen Druckanteil, bestimmt wird, ohne numerische Differenzierung zu verwenden.Method according to Claim 24, characterized that for everyone Point of the grid of the stress tensor, divided into one viscous and a pressure component, is determined, without numerical differentiation to use. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbel und die Dissipation im strömenden Fluid gezeigt werden.Method according to Claim 24, characterized that the Whirl and the dissipation are shown in the flowing fluid. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Anteil der gezeigten Größen direkt, aber auch durch Berechnung von charakteristischen Zahlen über eine Pulsperiode dargestellt wird.Method according to one of claims 24 to 26, characterized that the pulsating portion of the shown sizes directly, but also by calculation from characteristic numbers over a pulse period is displayed. Verfahren nach den Ansprüchen 24 und 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubspannungen und der Druck, dessen Mittelwerte und Fluktuationscharakteristiken an den Gefäßwänden gezeigt werden.Process according to Claims 24 and 27, characterized that the Shear stresses and pressure, their mean and fluctuation characteristics shown on the vessel walls become. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestimmung der Fluidströmung die Auflösung der Darstellung der Strömung festgelegt wird, die mindestens die Auflösung der dreidimensionalen Strukturdaten ist.Method according to one of claims 1 to 28, characterized that before the determination of the fluid flow the resolution the representation of the flow which is at least the resolution of the three-dimensional Structure data is. Computerprogrammprodukt zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 29.Computer program product for implementing a method according to one of the claims 1 to 29. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 29 auf Blutgefäße.Application of the method according to one of claims 1 to 29 on blood vessels. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 29, insbesondere 16 bis 23, auf elastische blut- oder fluidführende Gefäße mit bewegten Wandungen.Application of the method according to one of claims 1 to 29, in particular 16 to 23, on elastic blood or fluid-carrying vessels with moving walls. System zur Darstellung von dreidimensionalen Strömungsdaten in fluidführenden Gefäßen des menschlichen oder tierischen Körpers unter Verwendung der Lattice-Boltzmann-Methode, bei dem dreidimensionale Gewebestrukturdaten auf regelmäßigen Datengittern (Geometrie-Voxeldaten) des darzustellenden Gefäßbereichs einschließlich dessen Wandung verwendet werden und dieselben Datengitter oder daraus vollautmatisch erzeugte regelmäßige isotrope Rechengitter (Voxel-Gitter) für die Gefäßdarstellung und für die Bestimmung des Strömungsverlaufs ausgewählt und der Verlauf der Fluidströmung in zeitlichen Schritten bestimmt wird, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Auswählen von einem oder mehreren zu untersuchenden Gefäßabschnitten vorgesehen sind, Mittel zum Auswählen eines Bereichs des Gefäßes aus den dreidimensionalen geometrischen Daten vorgesehen sind, der den oder die Gefäßabschnitte enthält und in dem die Strömungszustände dargestellt werden sollen, Mittel zum Segmentieren der dreidimensionalen geometrischen Daten zur Darstellung der Gefäßwände vorgesehen sind, Mittel zum Festlegen der Ein- und Ausströmrandflächen des Gefäßbereiches vorgesehen sind, Mittel zum Auswählen der Gitterrastergröße des Rechengitters abhängig von den Abmessungen des ausgewählten Gefäßbereiches und den Parametern der darin stattfindenden Strömung vorgesehen sind, eine Einrichtung vorgesehen ist, die das Rechengitter zerlegt und die Teile des Gitters eliminiert, die keine durch- oder angeströmten Voxel enthalten, eine Einrichtung vorgesehen ist, die die zeitliche Bestimmung der Fluidströmung so lange durchgeführt, bis die Strömungsdarstellung ausreichend genau ist, eine Einrichtung vorgesehen ist, die die für die Darstellung vorgesehenen Charakteristiken der Strömung und der mechanischen Belastung der Gefäßwände aus der Strömungslösung bestimmt, und eine Einrichtung für die Übertragung und Speicherung der Ergebnisse in für die Bildgebung oder Archivierung optimierte Datenstrukturen vorgesehen ist.System for displaying three-dimensional flow data in fluid-carrying Vessels of the human or animal body using the Lattice-Boltzmann method, in which three-dimensional Fabric structure data on regular data grids (Geometry voxel data) of the vascular area to be displayed including its wall be used and the same data grid or fully automatic produced regular isotropic Computational grid (voxel grid) for the vessel representation and for the determination of the flow path is selected and the course of the fluid flow in Time steps is determined, in particular for carrying out the Method according to one of the claims 1 to 29, characterized in that Means for selecting one or more vessel sections to be examined are provided, medium to choose a portion of the vessel the three-dimensional geometric data are provided, the or contains the vessel sections and in the flow conditions shown should be Means for segmenting the three-dimensional geometric data are provided for the representation of the vessel walls, medium for defining the inlet and outlet edge surfaces of the vessel area are provided Means for selecting the mesh grid size of the computational grid dependent from the dimensions of the selected vascular area and the parameters of the flow taking place therein, a Device is provided which decomposes the computational grid and the Eliminates parts of the grid that do not contain voxels through or a Device is provided, the timing of the fluid flow so long performed until the flow representation is sufficiently accurate a device is provided which the for the representation provided characteristics of the flow and determines the mechanical load on the vessel walls from the flow solution, and a facility for the transfer and storing the results in for imaging or archiving optimized data structures is provided.
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