Experimental investigation and validation of CFD simulations of steady flow in stenosis and pharynx using 2D PC-MRI and 4D flow MRI
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2025
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Zusammenfassung
Obstructive sleep apnea (OSA) is a sleep disorder of repetitive disrupted breathing caused by partial or complete closure of the upper airway, despite the effort to
breathe. The sleep disorder not only causes social impact on the patient such as
daytime sleepiness, fatigue but it has also been linked to several heart conditions.
A combination of anatomical variations, impaired neuromuscular functions, ventilatory instability and premature awakening cause OSA. Due to the complex and heterogeneous nature of the disease, the etiology of OSA is not well understood.
There are several invasive and non-invasive treatments available for the problem
such as uvulopalatopharyngoplasty, maxillomandibular advancement, upper airway
stimulation, use of continuous positive airway pressure and dental appliances. However, these have moderate to poor success rate. The identification of the factors contributing to OSA and development of cause driven treatments are not possible with the existing methods. Therefore, more recently numerical simulations or computational fluid dynamics (CFD)is being used to simulate physiological flow
to observe the flow phenomena to help identify the problem causing OSA and derive an effective treatment plan. However, the results of the simulations are highly dependent on the mathematical model, boundary conditions, grid size and so on. Hence, a comparison of simulation results with experimental results is important to validate the accuracy of the simulation results.
In-vitro phase-contrast magnetic resonance imaging (PC-MRI) based velocity measurements provides a powerful and non-invasive method to acquire spatially registered fluid velocity. This thesis proposes the use of 2D PC-MRI and 4D flow MRI as an investigative and validation tool for CFD of fluid flow in the upper airway
during OSA In the current work, two models are chosen for investigation. One is an idealized rigid axisymmeteric stenosis model with 75% occlusion, which is a narrowing in the arteries resulting from plaque build up and also a simplified version of the occlusion occurring in the anatomically complex pharynx model. This model is primarily used to validate the MRI techniques using previously published laser doppler anemometry (LDA) data and also study the effects and progression of atherosclerosis. The second model is an anatomically accurate and OSA patient individual pharynx model to investigate the flow dynamics in the upper airway during OSA using the above validated 2D PC-MRI and 4D flow MRI. The results are used to understand the cause and effects of OSA. Both 2D PC-MRI and 4D flow MRI are used to measure the velocity in both the models at different boundary conditions. The stenosis model is investigated in laminar and turbulent flow condition. The pharynx model is studied at average inspirational and expiration flow rate. In a statistical framework the results of the velocity measurements in the stenosis and pharynx are compared with computational fluid dynamics (CFD) results to validate the numerical simulation results. Also, with the use of 4D flow MRI other pathophysiological parameters such as wall shear stress and recirculation patterns are quantitatively examined, validated with published data and compared with 2D PC-MRI and CFD data. The role of these parameters in atherosclerosis and OSA are also discussed.
Beschreibung
Obstruktive Schlafapnoe (OSA) ist eine Schlafstörung mit wiederholten Atemaussetzern, die durch einen teilweisen oder vollständigen Verschluss der oberen Atemwege trotz Atemanstrengung verursacht wird. Die Schlafstörung hat nicht nur soziale Auswirkungen auf den Patienten, wie z. B. Tagesmüdigkeit und Erschöpfung, sondern wird auch mit verschiedenen Herzerkrankungen in Verbindung gebracht. Eine Kombination aus anatomischen Variationen, beeinträchtigten neuromuskulären Funktionen, Atmungsinstabilität und vorzeitigem Erwachen führt zu OSA. Aufgrund der komplexen und heterogenen Natur der Erkrankung ist die Ätiologie der OSA nicht gut erforscht. Es gibt mehrere invasive und nicht-invasive Behandlungsmöglichkeiten für das Problem, wie z. B. Uvulopalatopharyngoplastik, Vorverlagerung des Oberkiefers, Stimulation der oberen Atemwege, Anwendung von kontinuierlichem positivem Atemwegsdruck und Zahnspangen. Diese weisen jedoch eine mäßige bis schlechte Erfolgsquote auf. Die Identifizierung der Faktoren, die zu OSA beitragen, und die Entwicklung ursachenbezogener Behandlungen sind mit den bestehenden Methoden nicht möglich. Daher werden in jüngster Zeit numerische Simulationen oder die numerische Strömungsmechanik (CFD) eingesetzt, um den physiologischen Fluss zu simulieren und die Strömungsphänomene zu beobachten, um das Problem, das OSA verursacht, zu identifizieren und einen wirksamen Behandlungsplan abzuleiten. Die Ergebnisse der Simulationen hängen jedoch stark vom mathematischen Modell, den Randbedingungen, der Gittergröße usw. ab. Daher ist ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit experimentellen Ergebnissen wichtig, um die Genauigkeit der Simulationsergebnisse zu validieren. Die Bewertung der Ätiologie der Schlafstörung war auf klinische Studien beschränkt, und die klinischen Instrumente haben ihre technischen und ethischen Grenzen. Geschwindigkeitsmessungen auf der Grundlage von In-vitro-Phasenkontrast-Magnetresonanztomographie (PC-MRT) bieten eine leistungsstarke und nicht-invasive Methode zur Erfassung räumlich registrierter Flüssigkeitsgeschwindigkeiten. In dieser Arbeit wird die Verwendung von 2D-PC-MRT und 4D-Fluss-MRT als Untersuchungs- und Validierungsinstrument für die CFD des Flüssigkeitsflusses in den oberen Atemwegen während OSA vorgeschlagen. In der aktuellen Arbeit werden zwei Modelle für die Untersuchung ausgewählt. Eines ist ein idealisiertes, starres, achsensymmetrisches Stenosemodell mit 75% Okklusion, das eine Verengung der Arterien aufgrund von Plaquebildung darstellt und auch eine vereinfachte Version der Okklusion ist, die im anatomisch komplexen Pharynxmodell auftritt. Dieses Modell wird hauptsächlich zur Validierung der MRT-Techniken unter Verwendung von zuvor veröffentlichten Laser-Doppler-Anemometrie-Daten (LDA) sowie zur Untersuchung der Auswirkungen und des Fortschreitens von Atherosklerose verwendet. Das zweite Modell ist ein anatomisch genaues und individuelles Pharynxmodell eines OSA-Patienten zur Untersuchung der Strömungsdynamik in den oberen Atemwegen während der OSA unter Verwendung der oben genannten validierten 2D-PC-MRT und 4D-Flow-MRT. Die Ergebnisse werden verwendet, um die Ursachen und Auswirkungen der OSA zu verstehen. Sowohl die 2D-PC-MRT als auch die 4D-Flow-MRT werden verwendet, um die Geschwindigkeit in beiden Modellen bei unterschiedlichen Randbedingungen zu messen. Das Stenosemodell wird unter laminaren und turbulenten Strömungsbedingungen untersucht. Das Pharynxmodell wird bei einer durchschnittlichen Inspirations- und Exspirationsflussrate untersucht. In einem statistischen Rahmen werden die Ergebnisse der Geschwindigkeitsmessungen in der Stenose und im Pharynx mit den Ergebnissen der numerischen Strömungsmechanik (CFD) verglichen, um die numerischen Simulationsergebnisse zu validieren. Außerdem werden mithilfe der 4D-Fluss-MRT andere pathophysiologische Parameter wie Wandschubspannung und Rezirkulationsmuster quantitativ untersucht, mit veröffentlichten Daten validiert und mit 2D-PC-MRT- und CFD-Daten verglichen. Die Rolle dieser Parameter bei Atherosklerose und OSA wird ebenfalls diskutiert. Diese Parameter helfen bei der besseren Diagnose und Behandlungsplanung von OSA. Die Vorhersage von Blutflussgeschwindigkeiten in patientenspezifischen Geometrien mit Computational Fluid Dynamics (CFD) kann zusätzliche Daten für die Diagnose und Behandlungsplanung liefern, aber die Lösung kann ungenau sein. Daher ist es wichtig, die Simulationsfehler zu verstehen und das numerische Modell zu kalibrieren. Die In-vitro-Geschwindigkeits-kodierte MRT ist ein vielseitiges Instrument zur Validierung von CFD. Der Vergleich zwischen CFD- und In-vitro-MRT-Geschwindigkeitsdaten und die Analyse des Simulationsfehlers sind die Ziele dieser Studie. Es wird eine dreistufige Routine zur Validierung medizinischer CFD-Daten vorgestellt. Zunächst wird ein korrekt skaliertes Modell der patientenspezifischen Geometrie erstellt, um eine hohe relative Auflösung im MRT-Experiment zu erreichen. Anschließend wird die gemessene Strömungsgeometrie mit einem von zwei Algorithmen, Coherent Point Drift und Iterative Closest Point, mit den CFD-Daten abgeglichen. Die abgeglichenen Datensätze werden dann auf ein gemeinsames Raster interpoliert, um einen Punkt-zu-Punkt-Vergleich zu ermöglichen. Drittens werden die globalen und lokalen Abweichungen zwischen CFD- und MRT-Geschwindigkeitsdaten mithilfe verschiedener Algorithmen berechnet, um den Simulationsfehler zuverlässig zu schätzen. Die Routine wurde erfolgreich mit einem patientenspezifischen Modell eines zerebralen Aneurysmas getestet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier vorgestellten Methoden einen Rahmen für die CFD-Validierung unter Verwendung von In-vitro-MRT-Geschwindigkeitsdaten bieten.
Schlagwörter
2D PC-MRI, 4D flow MRI, Obstructive sleep apnea, experimental validation, CFD
Zitierform
Institut/Klinik
Institut für Medizintechnik