Bio-Fluid-Mechanik

Mittels CFD ermittelte Stromlinien durch ein Modell der menschlichen Nase während der Inhalation.

Die Forschung im Labor für Bio-Fluid Mechanik konzentriert sich auf die Untersuchung von Strömungen in künstlichen Organen und Implantaten wie künstliche Herzklappenprothesen, Blutpumpen, Mikrofluid-Filtersystemen etc. und Strömungen in Humansystemen wie dem Kreislauf und in den Atemwegen, z.B. Nase oder Lunge. Es werden experimentelle Methoden wie Particle-Image Velocimetry (PIV, Scanning-PIV) und numerische Verfahren verwendet, um die Strömungsfelder solcher Konfigurationen zu analysieren und zu optimieren.

Mittels PIV gemessenes Geschwindigkeitsfeld durch eine Aorta-Herzklappen-Prothese in pulsierender Strömung.

Alle Forschungsaktivitäten werden in enger Zusammenarbeit mit industriellen und klinischen Partnern durchgeführt. Studien werden durch die Industrie, die Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), die Europäische Union und andere öffentliche Institutionen gefördert. 

Die Untersuchung künstlicher Herzklappen zur Zertifizierung (ISO, CFN, FDA) beinhaltet unter anderem Standardtests zur Analyse von Leckageströmungen, Kavitation und der Klappenkinematik in pulsierenden Strömungen. Das Messequipment beinhaltet moderne digitale Hochgeschwindigkeitskameras, Puls- und Dauerstrichlaser und hochauflösende CCD Kameras, um hochwertige Daten für die verschiedenen komplexen Strömungen zu erfassen. Zum Beispiel werden PIV Messungen für Drei-Klappenprothesen in pulsierenden Strömungen verwendet, um die Strömungsphysik qualitativ und quantitativ zu verstehen. Die Resultate, die die Wirbeldynamik, die Totwassergebiete, die Scherschichten etc. verdeutlichen, dienen als Datenbasis zur Verbesserung des Klappendesigns. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Klappenkinematik liefern zusätzliche Informationen über die Klappenbewegung und die Schließgeschwindigkeit, die zur Beurteilung möglicher Kavitation beim Klappenschluss und für die Lebensdauer der Klappen von Bedeutung sind.

Mittels PIV gemessenes Geschwindigkeitsfeld in einer Mikro-Axialblutpumpe bei 33000 U/min.
Optischer Versuchsaufbau, um PIV Messungen an einer Mikro-Axialblutpumpe, die mit 33000 U/min rotiert, durchzuführen.

Die Strömung in einer Mikro-Axialblutpumpe wird mit Hilfe einer phasenangepassten Particle-Image Velocimetry bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 33000 U/min gemessen. Die Geschwindigkeitsverteilungen liefern Informationen zur Entstehung von Strömungsablösung bei kritischen Druckgradienten zur Optimierung der Pumpengeometrie im Hinblick auf Minimierung der Blutschädigung.

In einem klinischen Projekt wurde am Aerodynamischen Institut ein Untersuchungssystem entwickelt, um die Oberflächenkoordinaten der Bauchdecke des menschlichen Körpers zu bestimmen. Das System basiert auf der Technik der Topometrie. Die Form und die Flexibilität der Bauchdecke wird mit Hilfe von Parametern, die anhand der Oberflächendarstellung berechnet werden, bestimmt.

Oberflächenrekonstruktion einer Bauchdecke eines liegenden Patienten bei maximaler Ausdehnung und nach starker Inhalation.

Das System ermöglicht die Analyse unterschiedlicher Materialien synthetischer Netze nach der Implantation unter der Bauchdecke. Des Weiteren kann das System zur Diagnose von Problemen, die mit der Krümmung des Rückgrats in Verbindung stehen, verwendet werden.