Stadler Michael
DDipl.-Ing. Dr.techn.
Forum Technik und Gesellschaft Förderpreisträger 2004
Kategorie Dissertationen
1. Preis
Titel
Numerical Modelling of Balloon Angioplasty and Stenting
Kurzfassung
Ballon-Angioplastie mit oder ohne Stenting ist eine klinische Behandlungsmethode zur Aufdehnung atherosklerotisch verengter Arterien. Leider kann diese Methode zufolge Restenose versagen. Die damit verbundenen Mechanismen sind zum Teil noch unklar. Die Motivation der Dissertation ist deshalb die Entwicklung eines Computermodells zur Beschreibung der mechanischen Aspekte während der Angioplastie. Damit sollen zwei Ziele erreicht werden: (i) Entwicklung einer virtuellen Umgebung um die optimale interventionelle Behandlungsmethode für eine bestimmte Stenose zu identifizieren und (ii) Optimierung von interventionellen Instrumenten für eine Stenose mit beliebiger Morphologie. Die bei der numerischen Simulation der Angioplastie auftretenden Randwertprobleme werden mit der Finite-Elemente Methode gelöst. Um Stabilitätsprobleme zu vermeiden, die während der Interaktion zwischen Arterienwand und medizinischem Gerät entstehen können, wird eine Kontaktflächenglättung e! ingesetzt, die auch für unstrukturierte Netze geeignet ist. Die für die Simulation notwendigen geometrischen und morphologischen Daten werden durch hochauflösende Magnetresonanz und histologische Schnitte menschlicher Arterien gewonnen.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
Nach einer Studie der AHA (American Health Organisation) starben im Jahr 2001 in den USA 931.108 Menschen an Blutgefässerkrankungen, 553.768 an Krebs, 101.537 in Unfällen, 53.852 an Alzheimer und 14.175 an HIV/AIDS [1]. Damit sind Blutgefässerkrankungen die häufigste Todesursache in der westlichen Welt und bedrohen zunehmend auch die Entwicklungsländer. Die meisten Fälle werden durch Atherosklerose ausgelöst. Atherosklerose kann durch eine Reihe von Risikofaktoren enstehen: sie beinhalten Rauchen, Diabetes, Fettleibigkeit (Adipositas), hohe Blutcholesterin-Werte, fettes Essen sowie eine genetische prädisposition für Herzerkrankungen. Bei der Entstehung von Atherosklerose lagern sich Fett, Cholesterin und andere Substanzen in der Gefässwand ab und bilden sog. Atheromen oder Plaques (Fettansammlungen). Diese machen das Blutgefäss unelastisch und hindern den Blutstrom. Ballonangioplastie (auch bekannt als Percutaneous Transluminal Angioplasty, PTA) ist eine weit verbreitete Behandlungsmethode für Atherosklerose. Trotz der hohen primären Erfolgsrate von PTA ist ihr Langzeiterfolg nicht zufriedenstellend. Die Ursache dafür liegt in der Restenose (d.h. Verkleinerung des Gefässquerschnittes). Um dem Problem entgegenzuwirken wurden sog. Stents entwickelt. Sie sind metallische Stützkonstruktionen, die mittels eines Ballonkatheters in der Stenose (=Ort der Erkrankung) plaziert und dort expandiert werden. Sie verbleiben im Blutgefäss, um der Restenose entgegenzuwirken. Leider haben auch Stents gewisse Nachteile: durch den sehr individuellen Charakter einer Stenose entscheiden minimale Variationen der Behandlungsparametern über Erfolg oder Misserfolg. Wählt der Interventionist einen ungeeigneten Stent, so kommt es zu sog. In-Stent-Restenose, wobei der Stent von frischem Gewebe überwuchert wird, und somit den Behandlungserfolg vernichtet. Um dieses Problem zu umgehen wurde in der Dissertation eine Optimierungsmethode auf der Basis der Finite-Elemente Methode entwickelt, die für eine bestimmte Stenose den besten Stent identifizieren kann, der ein Minimum an Restenose verursacht. Die dafür notwendigen Parameter werden durch Magnetresonanz und mechanische Tests bestimmt. Die Methode ermöglicht auch, bestehende Stents zu verbessern sowie neue Stentgeometrien zu entwickeln. Ein weiterer wichtiger Punkt in der Behandlung und Vorsorgeuntersuchung von Atherosklerose ist die zuverlässige Identifikation von kritischen Plaques. Durch Akkumulation von Fett können Plaques instabil werden, wobei sie das Fett schlagartig in den Blutstrom abgeben. Die Folge ist eine Thrombose, die im Herz und Gehirn fatale Folgen haben kann. Derzeit existiert keine verlässliche Methode, um instabile Plaques zu identifizieren. In der Dissertation wurde eine Methode entwickelt, die auf der Basis von Computersimulationen (a) solche instabilen Plaques erkennen kann, und (b) Aufschluss darüber liefert, ob der Plaque durch Blutdruck senkende Massnahmen stabilisiert werden kann.
Kategorie Dissertationen
1. Preis
Titel
Numerical Modelling of Balloon Angioplasty and Stenting
Kurzfassung
Ballon-Angioplastie mit oder ohne Stenting ist eine klinische Behandlungsmethode zur Aufdehnung atherosklerotisch verengter Arterien. Leider kann diese Methode zufolge Restenose versagen. Die damit verbundenen Mechanismen sind zum Teil noch unklar. Die Motivation der Dissertation ist deshalb die Entwicklung eines Computermodells zur Beschreibung der mechanischen Aspekte während der Angioplastie. Damit sollen zwei Ziele erreicht werden: (i) Entwicklung einer virtuellen Umgebung um die optimale interventionelle Behandlungsmethode für eine bestimmte Stenose zu identifizieren und (ii) Optimierung von interventionellen Instrumenten für eine Stenose mit beliebiger Morphologie. Die bei der numerischen Simulation der Angioplastie auftretenden Randwertprobleme werden mit der Finite-Elemente Methode gelöst. Um Stabilitätsprobleme zu vermeiden, die während der Interaktion zwischen Arterienwand und medizinischem Gerät entstehen können, wird eine Kontaktflächenglättung e! ingesetzt, die auch für unstrukturierte Netze geeignet ist. Die für die Simulation notwendigen geometrischen und morphologischen Daten werden durch hochauflösende Magnetresonanz und histologische Schnitte menschlicher Arterien gewonnen.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
Nach einer Studie der AHA (American Health Organisation) starben im Jahr 2001 in den USA 931.108 Menschen an Blutgefässerkrankungen, 553.768 an Krebs, 101.537 in Unfällen, 53.852 an Alzheimer und 14.175 an HIV/AIDS [1]. Damit sind Blutgefässerkrankungen die häufigste Todesursache in der westlichen Welt und bedrohen zunehmend auch die Entwicklungsländer. Die meisten Fälle werden durch Atherosklerose ausgelöst. Atherosklerose kann durch eine Reihe von Risikofaktoren enstehen: sie beinhalten Rauchen, Diabetes, Fettleibigkeit (Adipositas), hohe Blutcholesterin-Werte, fettes Essen sowie eine genetische prädisposition für Herzerkrankungen. Bei der Entstehung von Atherosklerose lagern sich Fett, Cholesterin und andere Substanzen in der Gefässwand ab und bilden sog. Atheromen oder Plaques (Fettansammlungen). Diese machen das Blutgefäss unelastisch und hindern den Blutstrom. Ballonangioplastie (auch bekannt als Percutaneous Transluminal Angioplasty, PTA) ist eine weit verbreitete Behandlungsmethode für Atherosklerose. Trotz der hohen primären Erfolgsrate von PTA ist ihr Langzeiterfolg nicht zufriedenstellend. Die Ursache dafür liegt in der Restenose (d.h. Verkleinerung des Gefässquerschnittes). Um dem Problem entgegenzuwirken wurden sog. Stents entwickelt. Sie sind metallische Stützkonstruktionen, die mittels eines Ballonkatheters in der Stenose (=Ort der Erkrankung) plaziert und dort expandiert werden. Sie verbleiben im Blutgefäss, um der Restenose entgegenzuwirken. Leider haben auch Stents gewisse Nachteile: durch den sehr individuellen Charakter einer Stenose entscheiden minimale Variationen der Behandlungsparametern über Erfolg oder Misserfolg. Wählt der Interventionist einen ungeeigneten Stent, so kommt es zu sog. In-Stent-Restenose, wobei der Stent von frischem Gewebe überwuchert wird, und somit den Behandlungserfolg vernichtet. Um dieses Problem zu umgehen wurde in der Dissertation eine Optimierungsmethode auf der Basis der Finite-Elemente Methode entwickelt, die für eine bestimmte Stenose den besten Stent identifizieren kann, der ein Minimum an Restenose verursacht. Die dafür notwendigen Parameter werden durch Magnetresonanz und mechanische Tests bestimmt. Die Methode ermöglicht auch, bestehende Stents zu verbessern sowie neue Stentgeometrien zu entwickeln. Ein weiterer wichtiger Punkt in der Behandlung und Vorsorgeuntersuchung von Atherosklerose ist die zuverlässige Identifikation von kritischen Plaques. Durch Akkumulation von Fett können Plaques instabil werden, wobei sie das Fett schlagartig in den Blutstrom abgeben. Die Folge ist eine Thrombose, die im Herz und Gehirn fatale Folgen haben kann. Derzeit existiert keine verlässliche Methode, um instabile Plaques zu identifizieren. In der Dissertation wurde eine Methode entwickelt, die auf der Basis von Computersimulationen (a) solche instabilen Plaques erkennen kann, und (b) Aufschluss darüber liefert, ob der Plaque durch Blutdruck senkende Massnahmen stabilisiert werden kann.