Mit hämodynamischer Modellierung die Erfolgschancen von Dialysepatienten verbessern

Verbesserung der Operationsergebnisse

Die hämodynamische Modellierung hat das Potenzial, das Verständnis der Ergebnisse von Operationen an arteriovenösen Fisteln (AVF) für Patienten zu verbessern. Bei dem Verfahren wird eine Vene, normalerweise in einem Arm, mit einer Arterie verbunden. Ziel ist es, die Durchblutung und Robustheit der Vene zu erhöhen, indem sie größer und dicker gemacht wird, damit sie dem regelmäßigen Needling
besser standhalten kann, der mit der Dialyse verbunden ist, einer Behandlung, die für Patienten mit Nierenerkrankungen notwendig ist. Die von George Hyde-Linaker, Doktorand am Fachbereich Biomnedizintechnik der University of Strathclyde (Strathclyde), und Dr. Asimina (Melina) Kazakidi, Senior Lecturer und Leiter der Forschungsgruppe Biofluid Mechanics (BioFLM) am selben Fachbereich, in Zusammenarbeit mit Ärzten des Queen Elizabeth University Hospital durchgeführte Studie wurde kürzlich im Journal of Medical Engineering & Physics (MEP, Hyde-Linaker G., Hall Barrientos P., Stoumpos S., Kingsmore D.B. und Kazakidi A. (2022). Patientenspezifische computergestützte Hämodynamik im Zusammenhang mit der chirurgischen Schaffung einer arteriovenösen Fistel. Med. Eng. Phys. 105, 103814, doi: 10.1016/j. medengphy.2022.103814) Diese Arbeit zeigt, wie mit Hilfe von Simulationen Gefäßveränderungen nach AVF-Operationen vorhergesagt werden können.

Die Verwendung der Simcenter™ STAR-CCM+™-Software zur Modellierung des Blutflusses vor und nach der Operation hilft Ärzten, die hämodynamische Umgebung zu verstehen und die optimalen Stellen für AVFs zu bestimmen. Simcenter STAR-CCM+ ist Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform mit Software, Hardware und Services.

Die University of Strathclyde ist eine Technische Universität, die dafür bekannt ist, hochwirksame unternehmerische Forschung zu betreiben. Sie ist die erste Universität in Großbritannien, die 2012 und 2019 den Sunday Times University of the Year Award gewonnen hat und zusammen mit ihren Partnern technologische und sozial fortschrittliche Lösungen für globale Herausforderungen liefert. Die Universität hat ein zentrales Forschungsthema in der Gesundheitstechnologie und einen Health-Tech-Cluster (HTC) für die Transformation von Wissen. Das Department of Biomedical Engineering ist bekannt für seine innovativen und multidisziplinären Forschungsprogramme zwischen Ingenieur- und Biowissenschaften. Die Universität hat 16 Millionen Pfund in die Renovierung des Wolfson Building investiert, einem hochmodernen Raum für die biomedizinische Technikforschung.

Die kürzlich im MEP Journal veröffentlichte Arbeit wurde zum Teil durch die International Strategic Partner Research Scholarships der University of Strathclyde, den Preis des U.K. Research and Innovation (UKRI) Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) im Rahmen des Programms
Transformative Healthcare Technologies (EP/W004860/1) und das EU-Forschungs- und Innovationsprogramm H2020 im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Finanzhilfevereinbarung Nr. 749185 unterstützt. Diese Arbeit wird durch den Aufbau einer Datenbank mit Patientendemografien und die Durchführung von CFD-Studien (Computational Fluid Dynamics) fortgesetzt, um biologische und hämodynamische Parameter zu bestimmen, die günstige Patientenergebnisse vorhersagen.

Die Konturdiagramme des oszillatorischen Scherindex (OSI) vor und nach der Fistelbildung (Bild mit freundlicher Genehmigung von
Hyde-Linaker et al. Med Eng Phys 105 (2022), 103814)

Verwendung von Simulationen zur Behandlung von Kontraindikationen

Traditionelle Kontrastmittel sind Substanzen, die in der medizinischen Bildgebung verwendet werden, um den Kontrast von Strukturen und Flüssigkeiten im Körper zu erhöhen. Das Problem bei solchen Mitteln ist, dass sie für Patienten mit Nierenerkrankungen im Endstadium kontraindiziert sind. Damit eine AVF-Operation das Ergebnis eines Patienten verbessert, benötigt ein Forscher oder Arzt das richtige Werkzeug, um genau vorherzusagen, wie der Körper auf eine AVF reagieren wird. Hier ist die Simulation für den Gesamtprozess wertvoll.

Bei der Operation zur Schaffung einer AVF wird eine Anastomose hergestellt, eine Verbindung zwischen der Vene und der Arterie. Dadurch wird der Blutfluss in die Vene mit hoher Geschwindigkeit umgeleitet, so dass Blut aus der Vene für die externe Hämodialyse entnommen werden kann.

Ein Aspekt dieses Verfahrens, der in der Vergangenheit vernachlässigt wurde, ist das Verständnis, wie das Blut in der Nähe der Verbindungsstelle fließt. Ein Problem, das bei einem Patienten nach einer AVF-Operation auftreten kann, ist das arterielle Steal-Syndrom, das auftritt, wenn das AVF die Hand daran hindert, ausreichend durchblutet zu werden. Forscher der BioFLM-Forschungsgruppe in Strathclyde weisen darauf hin, dass eine verminderte Durchblutung des restlichen Körpers, mit Ausnahme des Arms, in dem sich die Anastomose befindet, ein weiteres Problem ist.

Die BioFLM-Forscher nutzten Simcenter STAR-CCM+, um zu zeigen, dass Simulationen Ärzten helfen können, negative Auswirkungen auf die Hand, die Seite der Anastomose sowie den Rest des Körpers zu verhindern. Der Einsatz von Simcenter STAR-CCM+ half den Forschenden auch bei der Vorhersage der zeitgemittelten Wandscherspannung (WSS), der Kraft pro Flächeneinheit, die das in Bewegung befindliche Blut auf die feste Grenze des Gefäßes ausübt. Die im MEP veröffentlichte Studie zeigt darüber hinaus andere Strömungsmuster an der Anastomose. Die von CFD modellierten WSS-Niveaus zeigen die erfolgreiche Reifung der AVF an und sollen Ärzten helfen, die Erfolgsraten zukünftiger AVF-Operationen und des postoperativen Patientenmanagements zu verbessern.

Die Forschung von Strathclyde BioFLM trägt dazu bei, dass eine AVF über einen längeren Zeitraum anhält. AVFs sind der Goldstandard für den Gefäßzugang, aber zwischen 30 und 70 Prozent der AVFs versagen. Die beiden Hauptursachen für das Scheitern sind neointimale Hyperplasie und unzureichender äußerer Umbau. Bei der neointimalen Hyperplasie handelt es sich um das Wachstum von glatten Muskelzellen und extrazellulärer Matrix in der Intima der Vene oder Arterie. Die Auswirkungen des arteriellen Umbaus auf die Armgefäße proximal der AVF können für den Patienten nachteilig sein, da die Prädisposition für andere Komplikationen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen und arterielles Steal-Syndrom erhöht wird. Diese Forschung der BioFLM-Gruppe wird Ärzten letztendlich dabei helfen, sicherzustellen, dass AVFs lebensfähig bleiben, damit die Hämodialyse fortgesetzt werden kann.

Box- und Whisker-Plots der Remax-Werte an den Ausgängen des simulierten Gefäßsystems, die über den
analysierten (5.) Herzzyklus im häufig simulierten Gefäßsystem zwischen den Prä- und Post-AVF-
Fällen induziert wurden (Bild mit freundlicher Genehmigung von Hyde-Linaker et al. Med Eng Phys 105 (2022), 103814)

Verwendung von FeMRA-Datensätzen mit CFD

Hyde-Linaker und Dr. Kazakidi von der BioFLM-Forschungsgruppe in Strathclyde generierten 3D-Rekonstruktionen von arteriellen Gefäßen aus Patientenpopulationen. Die in MEP veröffentlichte Arbeit umfasst bahnbrechende Rekonstruktionen des gesamten proximalen Gefäßsystems zur arteriovenösen Fistel vor und nach der Operation unter Verwendung von Ferumoxytol-verstärkten Magnetresonanzangiographie-Daten (FeMRA), die zuvor von den kooperierenden Ärzten gewonnen wurden. FeMRA ist eine Methode, die es Ärzten ermöglicht, hochauflösende patientenspezifische Daten zu erhalten. Das Forschungsteam in Strathclyde nutzte Simcenter STAR-CCM+, um hochgenaue Simulationen der Hämodynamik aus mehreren FeMRA-Scans mit einer etablierten Finite-Volumen-Implementierung zu erstellen.

„Wir haben Simcenter STAR-CCM+ verwendet, um skalenauflösende Hybridmodelle zu simulieren, was sich als sehr nützlich erwiesen hat“, sagt George Hyde-Linaker, Doktorand am Fachbereich für Biomedizintechnik an der University of Strathclyde. „Er wählt je nach Durchflussrate RANS oder LES.“

Ein skalenauflösendes Hybrid-Turbulenzmodell (SRH) ist ein hybrides Reynolds-gemitteltes Navier-Stokes (RANS) Large-Eddy-Simulationsmodell (LES), das es Anwendern ermöglicht, instationäre großräumige Turbulenzstrukturen zu berechnen und gleichzeitig einen Rechenaufwand im Vergleich zu einem RANS-Modell zu verursachen. SRH-Modelle stellen Anwender vor weniger Herausforderungen, da sie das Netz und den Zeitschritt für ein Problem kalibrieren. Dies hilft, das Beste aus einem bestimmten Netz und Zeitschritt herauszuholen. SRH-Modelle bieten dabei ein ausreichendes Maß an Genauigkeit bei einem angemessenen Rechenaufwand und einer angemessenen Bearbeitungszeit.

(a-c) Geschwindigkeitsstromlinien und Strömungsrichtungen (Pfeile) in der Anastomose der radiozephalen Fistel bei
(a) T1 (Peaksystole), (b) T2 (mittlere Verzögerung) und (c) T3 (Peakdiastole). d) Normalisierte TAWSS, e) OSI. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Hyde-Linaker et al. Med Eng Phys 105 (2022), 103814, doi: 10.1016/j.medengphy.2022.103814)

Darüber hinaus zeigt die Kopplung von CFD mit FeMRA das Potenzial für eine detailliertere Analyse der AVF-Reifung und ihrer Auswirkungen auf das Herz. „Die Ergebnisse der CFD-Simulationen wurden auf der Grundlage von Phasenkontrast-FeMRA-Daten validiert, die in der linken radialen Arterie nach der Anastomosenbildung gewonnen wurden“, sagt Hyde-Linaker. Sie fanden heraus, dass die mittlere prozentuale Differenz zwischen der CFD und der Phasenkontrast-FeMRA in der radialen (zuführenden) Arterie
2,52 Prozent betrug.

„Wir waren in der Lage, Durchflussraten aus dem FeMRA-Scanning zu erhalten, das zur Information der Auslässe der Post-AVF-Simulation verwendet wurde“, sagt Hyde-Linaker. “Man sieht, dass die Flussraten, die wir hier in der Arteria radialis beobachtet haben, ziemlich gut übereinstimmten. Das kann ein Marker dafür sein, dass wir die Flussbedingungen beim Patienten nachahmen.“

Generierung von polyedrischen Netzen patientenspezifischer Aorten, die in Simcenter Star-CCM+ erstellt wurden.

Integration von Simulationen in die Medizin

Das Ziel von Kazakidis, die auch als Direktor der MSc/MRes-Programme in Biofluidmechanik an der Strathclyde University fungiert, ist es, Ärzte mit Simulationen zu unterstützen, z. B. durch Einsatz von Simcenter STAR-CCM+, um nützliche hämodynamische Informationen zu liefern und Patientenergebnisse vorherzusagen. Dies kann Klinikern wertvolle Erkenntnisse liefern, um die Diagnose und Interventionsplanung besser verstehen zu können.

Das BioFLM-Team stellte fest, dass die Zeit für die Fertigstellung eines Workflows von der ersten Bildsegmentierung bis zur CFD-Nachbearbeitung für einen erfahrenen Anwender, einschließlich der Simcenter STAR-CCM+ Software, etwa sechs Stunden betrug. Sie erklären, dass der Vorteil der Verwendung von CFD zusätzlich zu FeMRA darin besteht, ein Profil von hämodynamischen Metriken zu erstellen, die in vivo schwer zu messen sind. „Die In-silico-Modellierung kann die klinische Forschung verändern und Chirurgen über zukünftige personalisierte Eingriffe informieren“, sagt Kazakidi. „Wir haben Simcenter STAR-CCM+ für robuste hämodynamische CFD-Studien eines AVF-Patientenfalls vor und nach der Operation verwendet, um Ärzten zu helfen, zukünftige fundierte Entscheidungen auf der Grundlage detaillierter hämodynamischer Muster zu treffen.“

Hyde-Linaker und Kazakidi gehen davon aus, dass ihre weitere Arbeit unterschiedliche hämodynamische
Umgebungen in einer Kohorte von Patienten mit unterschiedlichen AVF-Anastomosenkonfigurationen und
Ergebnissen untersuchen wird. Dazu gehören brachiozephale und radiozephale Fisteln. Sie werden auch die Bewegung der arteriellen Wand berücksichtigen, indem sie Strömungs-Struktur-Wechselwirkungs-Simulationen (FSI) in die Untersuchung einbeziehen. Das Strathclyde-Forschungsteam ist der Ansicht, dass die Verwendung von Simcenter STAR-CCM+ zur Untersuchung der AVF-Hämodynamik ein nützliches Tool ist, das zum Verständnis der AVF-Dysfunktion und des AVF-Versagens beitragen kann.

„Das Ersetzen von Aspekten klinischer Studien durch patientenspezifische Modelle oder virtuelle Datensätze und
Populationen ermöglicht es uns, Evidenz für chirurgische Eingriffe zu sammeln. Dies kann in der Akkreditierung und Zertifizierung referenziert werden. Wir sind daran interessiert, dies zu tun, um die Patientenzahlen und Vorlaufzeiten zu reduzieren, ganz zu schweigen von den Kosten“, sagt Kazakidi.

Framework für die Segmentierung, Rekonstruktion, Geometrievereinheitlichung und Volumenextraktion der patientenspezifischen Geometrie auf Basis von FeMRA-Multi-Stack-Bildern und anschließender CFD-Analyse (Bild mit freundlicher Genehmigung von Hyde-Linaker et al. Med Eng Phys 105 (2022), 103814)