DE102015011062A1 - Particle image velocity measurement with plenoptic camera on transparent three-dimensional printed resin models of cerebral vascular systems with aneurysms for flow analysis as quality control of implants such as stents, coils and flow diverter - Google Patents

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Abstract

Implantate zur interventionellen Behandlung von zerebralen Aneurysmen sollen unter physiologischen Flussbedingungen in vitro und Patienten-individuell anhand eines dreidimensionalen Modells bzgl. ihres Einflusses auf die Änderung des Strömungsverhaltens des Blutes untersucht werden, insbesondere im Bereich des Aneurysmas (3). Ziel ist eine Patientenspezifische Optimierung von Gefäßimplantaten in Hinblick auf Blutflußveränderungen.
Die Strömungsverhältnisse werden an einem transparenten Kunstharzmodell (2) des betreffenden Gefäßausschnittes (4), das aus 3D-DSA-Daten in einem 3D SLA-Druckprozeß hergestellt wird durch eine PIV-Analyse (1) auf korpuskulärer Ebende präzise ermittelt. Das Modell wird in einen mit einer Glycerinlösung (5) gefüllten durchsichtigen Tank (15) eingesetzt und mit Schläuchen (17) an einer Umwälzpumpe (14) blasenfrei mit der Lösung unter physiologischen Flussbedingungen durchströmt. Die Glycerinlösung enthält Polymerkügelchen mit einem definiertem Durchmesser (5 bis 50 μm) (6), die in ihrer Bewegung zeitlich versetzt (16) mit Licht (10) angeblitzt (11) werden und deren Reflexe mit einer plenoptischen Kamera (7) erfasst werden, die damit über die Zeit gemittelt die Partikelspuren aufgezeichnet und die 3D-Strömung vektoriell (12) oder als Strömungslinie (13) nach Richtung und Geschwindigkeit farblich kodiert in einer Videoausgabe (8) dynamisch dargestellt werden.
Das Verfahren dient der Qualitätsverbesserung, der Auswahl und der Anpassung der Implantate an die individuellen physiologischen Gefäßeigenschaften im Hinblick ihrer Wirkung auf die strömungsmechanischen Veränderungen im Bereich des Aneurysmas (3).Implants for the interventional treatment of cerebral aneurysms should be examined under physiological flow conditions in vitro and patient-individually using a three-dimensional model for their influence on the change in the flow behavior of the blood, especially in the area of the aneurysm (3). The aim is a patient-specific optimization of vascular implants with regard to blood flow changes.
The flow conditions are precisely determined on a transparent synthetic resin model (2) of the relevant vessel section (4), which is produced from 3D-DSA data in a 3D SLA printing process by means of a PIV analysis (1) on a corpuscular plane. The model is inserted into a transparent tank (15) filled with a glycerol solution (5) and through which the solution flows under physiological flow conditions with tubes (17) on a circulating pump (14) without bubbles. The glycerine solution contains polymer beads of a defined diameter (5 to 50 μm) (6), which are staggered in their movement (16) with light (10) (11) and whose reflections are detected with a plenoptic camera (7). averaged over time, the particle traces are recorded and the 3D flow vectorially (12) or as a flow line (13) color coded in terms of direction and speed in a video output (8) are displayed dynamically.
The procedure serves to improve the quality, selection and adaptation of the implants to the individual physiological vascular properties with regard to their effect on the fluid mechanic changes in the region of the aneurysm (3).

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur korpuskulare Strömungsmessung (1) (PIV: particle image velocimetry) an transparenten patientenspezifischen 3D Modellen (2) aus Kunstharz von zerebralen Aneurysmen (3) deren Daten aus einer rotations-differenz-subtraktionangiographischen (3D DSA) Bildgebung durch Bildsegmentierung des Aneurysma (3) enthaltenen Gefäßsystems (4) gewonnen wurden und das von einer Glycerinlösung (5) blutähnlicher Viskosität angereichert mit Polymerpartikeln (6) in der Größenordnung von Erythrozyten (Blutplättchen) mit physiologisch pulsierender Fließgeschwindigkeit durchströmt wird und unter Verwendung einer plenoptischen (Lichtfeld-)Kamera (7) welche als Aufnahmesensor eine hochaufgelöster Flussmessung als Kombination aus 3D-Positionsmessung plus 3D-Geschwindigkeitsvektoren durchführt und deren Ergebnisse farbig nach Richtung und Geschwindigkeit auf einem Bildschirm darstellt.The invention relates to a device for corpuscular flow measurement ( 1 ) (PIV: particle image velocimetry) on transparent patient-specific 3D models ( 2 ) made of synthetic resin from cerebral aneurysms ( 3 ) whose data are obtained from rotational difference-subtraction angiographic (3D DSA) imaging by image segmentation of the aneurysm ( 3 ) contained vascular system ( 4 ) and that of a glycerol solution ( 5 ) blood-like viscosity enriched with polymer particles ( 6 ) in the order of erythrocytes (platelets) is flown through with physiologically pulsating flow velocity and using a plenoptic (light field) camera ( 7 ) which performs a high-resolution flow measurement as a recording sensor as a combination of 3D position measurement plus 3D velocity vectors and displays their results in color according to direction and speed on a screen.

Einrichtungen zur korpuskularen Strömungsmessung sind bekannt [1, 2]. Sie dienen zur 4D Flussmessung, beispielsweise zum Zwecke der Vermessung der Bodenstruktur an Sedimenten als eine makroskopische Anwendung [3].Devices for corpuscular flow measurement are known [1, 2]. They are used for 4D flow measurement, for example for the purpose of measuring the soil structure of sediments as a macroscopic application [3].

Ziel der Strömungsmessung ist es, die Strömungsvektoren in allen 3 Raumdimensionalen und ihre dynamische Veränderung über die Zeit zu erfassen und visuell darzustellen. Diese werden bei makroskopischen Anwendungen entweder durch die Verwendung binokularer Stereokamera-Anordnungen oder durch Lichtschnittverfahren mit einer digitalen Kamera und einem durch Laserstrahlen erzeugtes Lichtprofil erreicht. Dieser Aufbau ist in Miniaturanwendungen und erst recht in mikroskopischen Anwendungen aufgrund der kleinen räumlichen Abmessungen weder mit einer Stereokameraanordnung noch mit einer Kombination aus digitaler Kamera und Laser zu realisieren und wäre außerdem im Aufbau zu empfindlich was häufige geometrische Justierungen der Anordnung nach wenigen Messvorgängen notwendig machen würde.The goal of flow measurement is to capture and visually represent the flow vectors in all three spatial dimensions and their dynamic change over time. These are achieved in macroscopic applications, either by the use of binocular stereoscopic camera arrangements or by light-slit methods with a digital camera and a laser profile generated by laser beams. Due to its small physical dimensions, this design can not be realized in miniature applications or in microscopic applications, neither with a stereo camera arrangement nor with a combination of digital camera and laser, and would also be too sensitive in structure, which would necessitate frequent geometric adjustments of the arrangement after a few measuring operations ,

Deshalb wird zusätzlich zur Erfassung der Helligkeitsinformation (2D-Helligkeitsverteilung) im Bild durch Verwendung einer plenotptischen Kamera (7) auch Tiefeninformation (3. Dimension: z-Richtung) erfasst, wobei ein 4D-Lichtfeld registriert wird. Damit ist grundsätzlich die Erfassung von Objekten in allen 3 Raumrichtungen mit nur einem Objektiv möglich, weil gleichzeitig durch eine Scheibe bestehend aus einer großen Zahl von Mikrolinsen (MLA: micro lens array) zwischen Hauptobjektiv und Sensor positioniert das Objekt aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen wird und dabei ein Lichtfeld aufgezeichnet wird. Dies gilt auch für bewegte Objekte wie beispielsweise kleine reflektierende Kügelchen (6), die in einer Flüssigkeit (5) treiben und deren Verfolgung über die Zeit erfasst und aufgezeichnet wird. Nur solche Kügelchen, die eindeutig in mehreren Mikrolinsen unterschiedlicher Brennweite registriert werden und einander aufgrund epipolar-geometrischen Korrespondenzen einander eindeutig zugeordnet werden können, werden zur Wegverfolgung herangezogen und ihre Spur im Raum aufgezeichnet und gespeichert.Therefore, in addition to the detection of the brightness information (2D brightness distribution) in the image by using a plenotective camera ( 7 ) also captures depth information (3rd dimension: z direction), whereby a 4D light field is registered. Thus, in principle, the detection of objects in all three spatial directions with only one lens is possible because simultaneously positioned by a disk consisting of a large number of microlenses (MLA: micro lens array) between the main objective and sensor, the object is taken from different angles and thereby a light field is recorded. This also applies to moving objects such as small reflective beads ( 6 ) contained in a liquid ( 5 ) and their tracking is recorded and recorded over time. Only such beads, which are clearly registered in several microlenses of different focal lengths and can be unambiguously assigned to one another on the basis of epipolar-geometric correspondences, are used for tracking and their trace is recorded and stored in space.

Damit sich die Polymerkügelchen (6) (Tracer) in einer Durchlichtbeleuchtung (10) hinreichend vom flüssigen Medium (5) und auch vom Kunstharz des Gefäßmodelles (2) abheben, werden diese in kurzen zeitlichen Abständen verzögert (16) aus verschiedenen Blickrichtungen mittels Licht- oder Laser-Blitzen (11) beleuchtet, um eine im Verhältnis zur Fließgeschwindigkeit hinreichende Aufnahmefolge zu gewährleisten und um eine mit hinreichendem Kontrast zur Umgebung hergestellte kurze Abfolge von Bildern zu erhalten. Die Blitze sind dabei mit dem Verschluss der Kamera (shutter) synchronisiert.In order for the polymer beads ( 6 ) (Tracer) in a transmitted light illumination ( 10 ) sufficiently from the liquid medium ( 5 ) and also of the resin of the vessel model ( 2 ), these are delayed at short intervals ( 16 ) from different directions by means of light or laser flashes ( 11 ) in order to ensure a recording sequence which is adequate in relation to the flow velocity and to obtain a short sequence of images produced with sufficient contrast to the environment. The flashes are synchronized with the shutter of the camera (shutter).

Die Positionen der erfassten und durch epipolar-geometrische Korrespondenzen bestätigten sowie zusätzlichen Heuristiken in mehreren Objektiven der Mikrolinsenfelder (MLA) verfolgten und korrespondierenden Kügelchen (6) werden aufgezeichnet und als Spur im 3-dimensionalen Raum als Strömungslinie dargestellt und digital gespeichert. Ihre Geschwindigkeit durch das 3-dimensionale Koordinatensystem (9) über die aufgezeichnete Zeit wird in der Bildfolge erfasst und farblich kodiert um sie entweder als farbig kodierten Vektor (12) mit Richtung oder als farblich kodierte Strömungslinie (13) darzustellen. Die Farbe repräsentiert dabei die Strömungsgeschwindigkeit, die Tangenten der Strömungslinie deren Richtung im 3D-Volumen am Ort.The positions of the collected and confirmed by epipolar-geometric correspondences and additional heuristics in multiple objectives of the microlens fields (MLA) tracked and corresponding beads ( 6 ) are recorded and displayed as a trace in 3-dimensional space as a flow line and stored digitally. Your speed through the 3-dimensional coordinate system ( 9 ) over the recorded time is captured in the image sequence and color-coded to encode it either as a color-coded vector ( 12 ) with direction or as color-coded flow line ( 13 ). The color represents the flow velocity, the tangents of the flow line their direction in the 3D volume at the location.

Die Partikel (6) werden dabei vom Material so gewählt, dass sie sich weder in der verwendeten Flüssigkeit (5) auflösen, noch verklumpen oder durch Gravitation absinken, sondern vom Flüssigkeitsstrom bewegt werden. Sie werden je nach Anwendung in Ihrer Größe (zwischen 50 μm (oder mit 6 μm) sogar in der Größenordnung der Blutplättchen (roten Blutkörperchen ∅ = 7 μm) gewählt.The particles ( 6 ) are chosen by the material so that they are neither in the liquid used ( 5 ), nor agglutinate or sink by gravity, but are moved by the liquid flow. Depending on the application, they are chosen in their size (between 50 μm (or 6 μm) even in the order of the blood platelets (red blood cells ∅ = 7 μm).

Als Trägermedium für die Kügelchen (6) (Tracer) dient eine Glycerinlösung (5), die sowohl nach Viskosität den physiologischen Fließeigenschaften des Blutes als auch dem Brechungsindex des Kunstharzmodelles (2) angepasst wurde, um Brechungseinflüsse bei der Positionsbestimmung zu minimieren und die Fließeigenschaften des Blutes bestmöglich zu modellieren.As carrier medium for the beads ( 6 ) (Tracer) serves a glycerol solution ( 5 ), which are characterized both by the viscosity of the physiological flow properties of the blood and the refractive index of the synthetic resin model ( 2 ) has been adjusted to minimize refraction influences in the position determination and to model the flow properties of the blood in the best possible way.

Für einen geschlossenen Kreislauf der Glycerinlösung (5) wird mittels einer Pumpe (14) ein gepulster Flüssigkeitskreislauf im Tank (15) erzeugt, der sowohl vom Flüssigkeitsdruck durchschnittlichen systolischen und diastolischen Drücken im Gefäßmodell (2) entspricht wie auch bzgl. der Fließgeschwindigkeit jener im zuführenden Gefäßzweig (4) entspricht, um die Strömungsverhältnisse im Modell und insbesondere in jenem Teil des Modells physiologisch realistisch nachbildet, das das Aneurysma (3) bzw. ggf. mehrere Aneurysmata wie im gewählten Beispiel enthält.For a closed loop of the glycerine solution ( 5 ) is by means of a pump ( 14 ) a pulsed liquid circuit in the tank ( 15 ) generated, of the fluid pressure average systolic and diastolic pressures in the vascular model ( 2 ) as well as with regard to the flow rate of those in the supplying vessel branch ( 4 ) simulates the flow conditions in the model and in particular in that part of the model physiologically realistic that the aneurysm ( 3 ) or optionally contains several aneurysms as in the selected example.

Im Strömungsbild können nun nicht nur die Pfade (13) (Spuren) der Tracer-Kügelchen (6) verfolgt werden, um so ein Strömungsprofil zu erhalten, sondern es können auch die ortsabhängigen Geschwindigkeiten dargestellt werden. Bis dahin wäre die Einrichtung zur Durchführung des Analyseverfahrens vor allem für die medizinische Forschung relevant, um die physiologischen Abläufe in einem mit blutähnlichem Medium durchströmten physiologisch identischen Modell zu studieren.In the flow picture, not only the paths ( 13 ) (Traces) of the tracer beads ( 6 ) so as to obtain a flow profile, but also the location-dependent velocities can be represented. Until then, the device for carrying out the analysis method would be relevant, above all, for medical research in order to study the physiological processes in a physiologically identical model through which blood-like medium flows.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur korpuskularen Strömungsmessung (1) an transparenten Patienten-spezifischen 3D Modellen zerebraler Aneurysmen zu ermöglichen. Es werden zeitlich und räumlich hochaufgelöste Flussmessungen und Veränderungen der Fließgeschwindigkeit und -richtung in einer physiologisch pulsierenden Flüssigkeit Blut-ähnlicher Viskosität innerhalb des Patienten-spezifischen Gefäßsystems durchgeführt.It is therefore an object of the invention to provide a device for corpuscular flow measurement ( 1 ) to enable transparent patient-specific 3D models of cerebral aneurysms. High temporal and spatial flow measurements and changes in flow rate and direction are made in a physiologically pulsatile liquid of blood-like viscosity within the patient-specific vasculature.

Durch mikroskopische physiologische Flussinformation am Gefäß und deren Veränderung durch Einbringen von Devices zur Therapie von Aneurysmen (z. B. Effekt auf den Fluss bedingten Wall shear stress, Effekt auf Blutstase, Effekt auf die Flussrichtung am Aneurysma) wird die Qualität notwendiger Interventionen durch verbesserte Positionierung, Auswahl, Design oder Form von eingesetzten Implantaten wie Coils, Stents oder Flow-Divertern überprüft und optimiert.Microscopic physiological flow information on the vessel and its modification by introducing devices for the treatment of aneurysms (eg wall shear stress effect, blood stasis effect, flow direction effect on the aneurysm) improve the quality of necessary interventions through improved positioning , Selection, design or shape of inserted implants such as coils, stents or flow diverters checked and optimized.

Die Qualitätsverbessernde Maßnahme soll primär zu einem verbesserten embolisierenden (Aneurysma-verschließenden) und Flussrichtungs-verändernden Effekt des Device führen (verbesserte Blutstase im Aneurysma, verbesserte Fluss-Umleitung am Aneurysmahals, verbesserter physiologischer laminärer Fluss im Gefäßsystem, verbesserte Bedingungen des Wall shear stress im Gefäßsystem). Sekundär sollen diese Maßnahmen zur Senkung des Eingriffsrisikos ebenso beitragen, wie zur langfristigen Vermeidung von Blutungen oder Belastung des Patienten durch zu wiederholende Eingriffe. Die eingesetzten Stents, Coils etc. können durch „Customizing” an die physiologischen Gegebenheiten des individuellen Patienten angepasst und zugeschnitten werden und dadurch der Herstellerindustrie eine bessere Qualität durch in-vitro Tests ihrer Produkte und damit ein breiteres Einsatzgebiet ermöglichen.The quality improvement measure is primarily intended to result in an improved embolizing (aneurysm-occlusive) and flow direction-altering effect of the device (improved aneurysm blood stasis, improved flow diversion at the aneurysm neck, improved physiological laminar flow in the vasculature, improved conditions of wall shear stress in the vasculature ). Secondarily, these measures should contribute to reducing the risk of intervention as well as to the long-term prevention of bleeding or stress on the patient through repetitive interventions. The used stents, coils, etc. can be adapted and tailored to the physiological conditions of the individual patient by "customizing", thus enabling the manufacturing industry to achieve better quality through in-vitro testing of their products and thus a broader field of application.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß Hauptanspruch durch eine Einrichtung zur korpuskulare Strömungsmessung (1) an transparenten patientenspezifischen 3D Modellen (2) zerebraler Aneurysmen, die Veränderungen des Blutflusses mit einer physiologisch pulsierenden Flüssigkeit blutähnlicher Viskosität eine hochaufgelöster Darstellung der Flussmessung innerhalb des Gefäßes (4) zu erzeugen und deren Ergebnisse hochaufgelöst in Form von Strömungsvideosequenzen (8) entweder mit farbigen Strömungslinien (13) oder durch farbig gekennzeichneten Vektoren (12) Richtung und Geschwindigkeiten des Blutflusses wiederzugeben und quantitativ zu erfassen.The solution of this object is achieved according to the main claim by a device for corpuscular flow measurement ( 1 ) on transparent patient-specific 3D models ( 2 ) cerebral aneurysms, the changes in blood flow with a physiologically pulsating fluid of blood-like viscosity, a high-resolution representation of the flow measurement within the vessel ( 4 ) and their results are highly resolved in the form of flow video sequences ( 8th ) either with colored flow lines ( 13 ) or colored vectors ( 12 ) To reproduce and quantify the direction and rates of blood flow.

Die Gewinnung dieser Richtungs- und Geschwindigkeitsinformation erfolgt vorzugsweise durch PIV (1) von Polymerkügelchen mittels einer plenoptischen Kamera (7), deren Verschluss mit der Blitzbeleuchtung (11, 10) synchronisiert ist. Auf diese Weise können die Trajektorien der Kügelchen als Mittelung über mehrere Minuten gewonnen und in Echtzeit simuliert werden, und stehen nach Akkumulation über hinreichend viele Bildpaare (~Anzahl von Doppelblitzen) als dynamischer Strömungsprozess als Videosequenz am Monitor zur Verfügung, wo sie mit den Modelldaten des 3D-Druckes (z. B. im .stl-Format) hinterlegt werden können um im Strömungsbild am Bildschirm besser navigieren zu können.The extraction of this direction and speed information is preferably carried out by PIV ( 1 ) of polymer beads by means of a plenoptic camera ( 7 ), whose shutter with the flash illumination ( 11 . 10 ) is synchronized. In this way, the trajectories of the beads can be obtained as averaging over several minutes and simulated in real time, and are available after accumulation over sufficiently many pairs of images (~ number of double flashes) as a dynamic flow process as a video sequence on the monitor, where they with the model data of the 3D printing (eg in .stl format) can be stored in order to navigate better in the flow picture on the screen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren erläutert, die ein Ausführungsbeispiel illustrieren. Es zeigtThe invention will be explained below with reference to the figures, which illustrate an embodiment. It shows

1 eine Skizze der Einrichtung 1 a sketch of the device

2 ein Bild mit einem 3D-Modell aus Kunstharz (2) das einen Ausschnitt eines zerebralen Gefäßsystems (4) zeigt (Arteria basilaris), das gleich 2 Aneurysmata (3) enthält. Das Modell wurde im Stereolithographie-Druckverfahren (SLA) aus 3-dimensionalen SDA-Daten erstellt. 2 a picture with a 3D model made of synthetic resin ( 2 ) that a section of a cerebral vascular system ( 4 ) (basilar artery), which is equal to 2 aneurysmata ( 3 ) contains. The model was created using 3-dimensional SDA data in stereolithography printing (SLA).

3 ein Bild mit demselben Kunstharzmodell (2), jedoch mit einem Coil in einem der Aneurysmata (3) versehen 3 an image with the same resin model ( 2 ), but with a coil in one of the aneurysmata ( 3 ) Mistake

4 eine schematische Darstellung des gesamten Versuchsaufbaus (entsprechend der Skizze in 1. 4 a schematic representation of the entire experimental setup (according to the sketch in 1 ,

5(a-f) eine Sequenz von Schlüsselbildern (key frames) über die Zeit der Messdauer einer Strömungsanalyse innerhalb eines wenige Millimeter großen Aneurysma. 5 (af) a sequence of key frames over the time of measurement duration of flow analysis within a few millimeter aneurysm.

1 zeigt eine Skizze der Einrichtung mit allen seinen Funktionselementen 1 shows a sketch of the device with all its functional elements

2 zeigt einen Block aus Kunstharz (2), der mit höchster Präzision die physiologische Struktur eines zerebralen Gefäßausschnittes (4) beinhaltet, der in diesem gewählten Beispiel gleich zwei Aneurysmata (3) enthält. 2 shows a block of synthetic resin ( 2 ), which determines the physiological structure of a cerebral vessel section ( 4 ), which in this example selected equals two aneurysms ( 3 ) contains.

Die zu seiner Herstellung aus SDA-Daten gewonnen 3D-Informationen (z. B. im .stl-Format) des zerebralen Gefäßsystemausschnittes wurden sowohl für den Druck eines Modells (2) aus Photo-Polymer (Kunstharz) in einem Stereolithographie-Verfahren (SLA) als auch zur Validierung der PIV-Strömungsergebnisse herangezogen, um den Ortszusammenhang im Gefäßvolumen von strömenden Fluid (5) zur Gefäßtopologie zu veranschaulichen.The 3D information (eg in .stl format) of the cerebral vascular system extract obtained from SDA data for its production was used both for printing a model ( 2 ) of photo-polymer (resin) in a stereolithography process (SLA) as well as for the validation of the PIV flow results in order to determine the spatial relationship in the vessel volume of flowing fluid ( 5 ) to the vascular topology.

3. zeigt denselben Kunstharzblock (2), jedoch mit einem im Aneurysma (3) eingesetzten Coil versehen. Dadurch wird die Wirkung des eingesetzten Coils auf die Änderungen der Strömungsverhältnisse im Aneurysma veranschaulicht und können zur Qualitätsprüfung der möglichen Behandlungsoptionen mit verschiedenen Implantaten herangezogen werden. 3 , shows the same resin block ( 2 ), but with an aneurysm ( 3 ) provided coil. This illustrates the effect of the coil used on the changes in the flow conditions in the aneurysm and can be used to check the quality of the possible treatment options with different implants.

4 zeigt den Aufbau und Betrieb der Einrichtung entsprechend der Skizze in 1.: im Zentrum steht ein transparenter Tank (15) der mit einer Glycerinlösung (5) gefüllt ist, die mit einem Granulat von Polymerkügelchen (6) angereichert wird, deren Größe von 50 μm (oder 6 μm und damit der Größe von Erythrozyten entsprechend) betragen und die weder auf den Gefäßboden absinken noch miteinander verklumpen oder sich auflösen. In diesen Tank wird blasenfrei das jeweilige arterielle Gefäßmodell (2) eingesetzt und am Ast des zuführenden Gefäßes (Modell der zuführenden Arterie (4)) mit einem Schlauch (17) verbunden, der an einer Umwälzpumpe (14) angeschlossen ist, die mit der ungefähren Pulsfrequenz des Menschen die Glyerinlösung (5) mit den Polymerkügelchen (6) aus dem Tank (15) in das Modell (2) mit einem Druck und einer Geschwindigkeit, die den physiologischen Eigenschaften des Blutflusses im lebenden Organismus entsprechen (F ~1.2 Hz; P ~80–120 mmHg; V ~60–80 cm/s) dem Modell (2) zuführt, um es mit gleichmäßig getaktetem Puls einer Umwälzpumpe (14) mit der Lösung (5) im zuführenden Gefäßast (4) mit ca. V ~40 cm/s zu durchströmen. Der transparente Tank (15) wird von 2 Blitzlichtern (11, 10) kurz nacheinander mit zeitlicher Verzögerung (16) beleuchtet, um eine entsprechende zeitliche Auflösung zwischen den Bildern zu erzeugen, wobei beide Blitze (11) mit dem Kameraverschluss einer plenoptischen Kamera (7) synchronisiert sind, um die 4D Lichtverteilung der von den Kügelchen (6) (resultierenden Reflexionen aufzuzeichnen. Dabei wird jeweils zwischen 2 Doppelblitzen die Bewegung der registrierten Kügelchen geschätzt. Das Auswerteverfahren liefert den Flussverlauf für mindestens einen vollständigen Herzzyklus. Das Ergebnis wird zu einem Strömungsbild (8) verdichtet, wobei die Strömungslinien (13) den Verlauf durch das Gefäßvolumen und die Farbe die Geschwindigkeit repräsentieren. 4 shows the construction and operation of the device according to the sketch in 1 .: in the center is a transparent tank ( 15 ) with a glycerol solution ( 5 ) filled with granules of polymer beads ( 6 ) is enriched, the size of which is 50 microns (or 6 microns and thus the size of erythrocytes) and which neither sink to the bottom of the vessel nor clump together or dissolve. In this tank is bladder-free, the respective arterial vessel model ( 2 ) and on the branch of the afferent vessel (model of the afferent artery ( 4 )) with a hose ( 17 ) connected to a circulation pump ( 14 ), which at the approximate pulse rate of the human, the glycerol solution ( 5 ) with the polymer beads ( 6 ) from the tank ( 15 ) into the model ( 2 ) with a pressure and a velocity corresponding to the physiological properties of the blood flow in the living organism (F ~ 1.2 Hz, P ~ 80-120 mmHg, V ~ 60-80 cm / s) 2 ) with a uniformly pulsed pulse of a circulating pump ( 14 ) with the solution ( 5 ) in the feeding vessel branch ( 4 ) with about V ~ 40 cm / s to flow through. The transparent tank ( 15 ) is lit by 2 flashlights ( 11 . 10 ) in quick succession with a time lag ( 16 ) to produce a corresponding temporal resolution between the images, both flashes ( 11 ) with the camera shutter of a plenoptic camera ( 7 ) are synchronized to the 4D light distribution of the beads ( 6 In each case, the movement of the registered beads is estimated between 2 double flashes The evaluation process supplies the flow for at least one complete cardiac cycle. 8th ), the flow lines ( 13 ) represent the course through the vessel volume and the color the speed.

5 zeigt Ausschnitte aus einer Aufzeichnungssequenz (a–f), die das dynamische Strömungsverhalten einer korpuskularen Strömung im Gefäßmodell als farbig kodierte Vektoren darstellt, in welcher ebenfalls die Farbe die Geschwindigkeit und der Vektor (12) die Richtung im Raum repräsentieren. Diese lassen sich als bewegte Bildfolge auf einem Bildschirm (8) wie in 4 darstellen. 5 shows excerpts from a recording sequence (a-f), which represents the dynamic flow behavior of a corpuscular flow in the vessel model as color-coded vectors, in which also the color the velocity and the vector ( 12 ) represent the direction in space. These can be displayed as moving sequences on a screen ( 8th ) as in 4 represent.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • 2) KR000101136814B1 , PUSAN NAT UNIV INDCOOP FOUND, KR; ”THE MEASUREMENT METHOD ON HEMORHEOLOGIC PARAMETERS FROM BLOOD FLOW USING RED BLOOD CELLS AS TRACING PARTICLES2) KR000101136814B1 , PUSAN NAT UNIV INDCOOP FOUND, KR; "THE MEASUREMENT METHOD ON HEMORHEOLOGIC PARAMETERS FROM BLOOD FLOW USING RED BLOOD CELLS AS TRACING PARTICLES

Zitierte NichtpatentliteraturQuoted non-patent literature

  • 3) P. Menzel, C. Perwaß, A. Petersen, A. Pinnow, L. Wietzke A. Wolter und A. Leder, Erprobung eines neuartigen Lichtfeldkamera-Messsystems zur gleichzeitigen Messung von 3D-3C-Geschwindigkeitsfeldern sowie einer 3D-Oberflächenkontur, Fachtagung ”Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik”, 9.–11. September 2014, Karlsruhe 3) P. Menzel, C. Perwaß, A. Petersen, A. Pinnow, L. Wietzke A. Wolter and A. Leder, testing of a novel light field camera measuring system for the simultaneous measurement of 3D 3C velocity fields and a 3D surface contour, conference " Laser Methods in Flow Measurement ", 9.-11. September 2014, Karlsruhe

Zusammenfassung der Bildunterschriften:Summary of captions:

  • 1 Skizze der Einrichtung 1 Sketch of the device
  • 2a) Block aus Kunstharz als physiologisches Strukturmodell eines zerebralen Gefäßausschnittes mit zwei Aneurysmata rechts in der Mitte 2a) Block made of synthetic resin as a physiological structural model of a cerebral vessel section with two aneurysms in the middle right
  • 2b) zu 2a) gehöriges 3D-Datenmodell (visualisiert) 2 B) to 2a) associated 3D data model (visualized)
  • 3 Derselbe Kunstharzblock wie in 2a), jedoch mit einem im Aneurysma eingesetzten Coil. 3 The same resin block as in 2a ), but with a coil inserted in the aneurysm.
  • 4 Aufbau und Betrieb der Einrichtung zur Partikelbildgeschwindigkeitsmessung mit plenoptischer Kamera an transparenten dreidimensional gedruckten Kunstharzmodellen von zerebralen Gefäßsystemen mit Aneurysmen zur Strömungsanalyse als Qualitätskontrolle von implantierten Stents, Coils und Flow Diverter 4 Construction and operation of the device for particle image velocity measurement with plenoptic camera on transparent three-dimensional printed resin models of cerebral vascular systems with aneurysms for flow analysis as quality control of implanted stents, coils and flow diverter
  • 5a) Schlüsselbild a) aus einer Sequenz von Schlüsselbildern (key frames) extrahiert aus einer zeitlichen Strömungsanalyse innerhalb eines wenige Millimeter großen Aneurysma. 5a) Keyframe a) extracted from a sequence of key frames extracted from a temporal flow analysis within a few millimeters aneurysm.
  • 5b) Schlüsselbild b) aus einer Sequenz von Schlüsselbildern (key frames) extrahiert aus einer zeitlichen Strömungsanalyse innerhalb eines wenige Millimeter großen Aneurysma. 5b) Keyframe b) extracted from a sequence of key frames extracted from a temporal flow analysis within a few millimeters aneurysm.
  • 5c) Schlüsselbild c) aus einer Sequenz von Schlüsselbildern (key frames) extrahiert aus einer zeitlichen Strömungsanalyse innerhalb eines wenige Millimeter großen Aneurysma. 5c) Keyframe c) extracted from a sequence of key frames extracted from a temporal flow analysis within a few millimeters aneurysm.
  • 5d) Schlüsselbild d) aus einer Sequenz von Schlüsselbildern (key frames) extrahiert aus einer zeitlichen Strömungsanalyse innerhalb eines wenige Millimeter großen Aneurysma. 5d) Keyframe d) extracted from a sequence of key frames extracted from a temporal flow analysis within a few millimeters aneurysm.
  • 5e) Schlüsselbild e) aus einer Sequenz von Schlüsselbildern (key frames) extrahiert aus einer zeitlichen Strömungsanalyse innerhalb eines wenige Millimeter großen Aneurysma. 5e) Keyframe e) extracted from a sequence of key frames extracted from a temporal flow analysis within a few millimeters aneurysm.
  • 5f) Schlüsselbild f) aus einer Sequenz von Schlüsselbildern (key frames) extrahiert aus einer zeitlichen Strömungsanalyse innerhalb eines wenige Millimeter großen Aneurysma. 5f) Keyframe f) extracted from a sequence of key frames extracted from a temporal flow analysis within a few millimeters aneurysm.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

zu Fig. 1

1
PC mit Auswerte-Software zur korpuskularen Strömungsmessung (PIV: particle image velocimetry)
2
Transparentes, patientenspezifisches 3D Modell eines zerebralen Gefäßausschnittes (arteriell)
3
Aneurysma im Kunstharzmodell
4
Arterielles Gefäß im Kunstharzmodell
5
Glycerinlösung blutähnlicher Viskosität
6
Polymerpartikeln der Größenordnung von Erythrozyten (Blutplättchen)
7
Plenoptische (Lichtfeld-)Kamera
8
Bildausgabe (z. B. Monitor)
9
Koordinatensystem (x-, y-, z-Richtung)
10
Durchlichtbeleuchtung
11
Licht- oder Laser-Blitze
12
Farbig kodierte Vektoren, die die Strömungsrichtung und Strömungsstärke (Farbe) repräsentieren
13
Farbig kodierte Strömungslinien, die die Strömungsrichtung und Strömungsstärke (Farbe) repräsentieren
14
Pulsierende Umwälzpumpe
15
Flüssigkeitstank
16
Einheit zur zeitlichen Verzögerung der Lichtblitze und deren Synchronisation mit dem Kameraverschluss
17
Zuführende und abführende Schläuche, die einen Kreislauf zwischen Pumpe, Kunstharzmodell und Flüssigkeit im Tank herstellen
to Fig. 1
1
PC with corpuscular flow measurement evaluation software (PIV: particle image velocimetry)
2
Transparent, patient-specific 3D model of a cerebral vascular section (arterial)
3
Aneurysm in resin model
4
Arterial vessel in resin model
5
Glycerol solution of blood-like viscosity
6
Polymer particles of the order of erythrocytes (platelets)
7
Plenoptic (light field) camera
8th
Image output (eg monitor)
9
Coordinate system (x, y, z direction)
10
Transmitted illumination
11
Light or laser flashes
12
Color coded vectors representing flow direction and flow intensity (color)
13
Colored coded flow lines, which represent the flow direction and flow intensity (color)
14
Pulsating circulation pump
15
liquid tank
16
Unit for delaying the flashes of light and their synchronization with the camera shutter
17
Incoming and outgoing hoses that create a circuit between the pump, resin model and liquid in the tank

Claims (6)

Einrichtung zur visuellen Strömungsanalyse (particle image velocimetry: PIV) von transparenten Gefäßmodellen die von einer Glycerinlösung blutähnlicher Viskosität physiologisch durchströmt wird und mit reflektierenden Polymerpartikel in der Größenordnung von Erythrozyten angereichert ist.Device for visual flow analysis (particle image velocimetry: PIV) of transparent vessel models which is perfused physiologically by a glycerol solution of blood-like viscosity and enriched with reflective polymer particles on the order of erythrocytes. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine plenoptische Kamera (Lichtfeldkamera) zum Aufzeichnen der Reflexe bewegter Polymerkügelchen eingesetzt wird.Device according to claim 1, characterized in that a plenoptic camera (light field camera) is used for recording the reflections of moving polymer beads. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die transparenten Gefäßmodelle aus Photopolymer (Kunstharz) in einem stereo-lithographischen 3D-Druckprozeß (SLA) aus Daten einer rotations-differenz-subtraktion-angiographischen (3D DSA) Bildgebung durch Segmentierung des das Aneurysma enthaltenen Gefäßsystems gewonnen wurden.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the transparent vascular models of photopolymer (synthetic resin) in a stereo lithographic 3D printing process (SLA) from data of a rotation-difference-subtraction-angiographic (3D DSA) imaging by segmentation of the aneurysm contained vascular system were obtained. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Flussmedium eine Glycerinlösung verwendet wird, deren Brechungsindex an den Brechungsindex des Photopolymer (Kunstharz) des im SLA-Verfahren gedruckten 3D-Modells eines zerebralen Gefäßsystemausschnittes angepasst wurde und mit Polymerkügelchen in der Größe von Erythrozyten gemischt wird, die sich weder in der Glycerinlösung auflösen, verklumpen oder aufgrund von Gravitation im Flüssigkeitstank absinken.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the flow medium used is a glycerol solution whose refractive index has been adapted to the refractive index of the photopolymer (synthetic resin) of the 3D model of a cerebral vascular system section printed in the SLA method, and to polymer beads of the size of erythrocytes is mixed, which do not dissolve in the glycerol solution, clump together or fall due to gravity in the liquid tank. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei kurz aufeinander folgende Blitze innerhalb eines mechanischen Verschlusszyklus der Kamera mit zwei kurz aufeinander folgende Lesezyklen der Kamera synchronisiert sind.Device according to claim 1 or 2, characterized in that two short consecutive flashes are synchronized within a mechanical shutter cycle of the camera with two short consecutive reading cycles of the camera. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe im Takt des menschlichen Herzschlages entsprechend Systole und Diastole einen physiologisch gepulsten Pumpendruck und Fließgeschwindigkeit im zuführenden Zweig des Gefäßsystemmodells erzeugt.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the circulating pump generates a physiologically pulsed pump pressure and flow rate in the feeding branch of the vascular system model in time with the human heart beat in accordance with systole and diastole.
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