CFD in der Medizintechnik

In der Medizintechnik sind Strömungsvorgänge oftmals entscheidend: Blut, NaCl-Lösungen, Desinfektionsmittel, Luft und Sauerstoff sind typische Fluide. Diese strömen einerseits im menschlichen Körper, andererseits durch technische Apparate wie Pumpen, künstliche Herzklappen, Schlauchleitungen, Beatmungsgeräte, Zerstäuber, Inhalatoren, Dialysatoren etc. Wirkstoffe werden gelöst und sollen gezielt platziert werden, Desinfektionsmittel müssen sicher und dennoch sparsam eingesetzt, Luft gereinigt, Sauerstoff zugeführt werden.

Dabei spielt einerseits beispielsweise die individuelle Form von Blutgefäßen eine große Rolle, andererseits sind es bei der Entwicklung von medizintechnischen Geräten oft Details wie z.B. fertigungsbedingte Spalte, oder eingeschlossene Luftbasen, die über Erfolg oder Misserfolg entscheiden.

In beiden Fällen liefern CFD Berechnungsmodelle den notwendigen Einblick:

In der personalisierten Medizin werden z.B. die Blutgefäße eines Patienten mit bildgebenden Verfahren erfasst und darauf aufbauend eine Strömungssimulation durchgeführt. Als Ergebnis erhält man die Blutströmung in den betrachteten individuellen Gefäßen mit allen örtlichen und zeitabhängigen Drücken, Schubspannungen, Wirbeln, Rückström- und „Totwassergebieten“.

Im Bild rechts ist beispielhaft die Blutströmung durch ein Gehirngefäß eines Patienten mit einem zerebralen Aneurysma dargestellt (hier finden Sie unseren ausführlichen Blogbeitrag zum Thema Aneurysma).

Bei der Entwicklung von medizintechnischen Geräten sind CFD-Modelle ein wesentlicher Bestandteil der virtuellen Produktentwicklung. Die strömungstechnische Funktion kann überprüft und optimiert, Problemstellen im Detail analysiert werden. Dadurch sinkt das Entwicklungsrisiko bei steigender Produktqualität. Mit heutigen Simulationsmethoden können bewegte Bauteile, kleinste Spalte, mehrphasige Strömungen, Vermischungs- und Entmischungsvorgänge, Partikel- und Tröpfchenbeladungen, Wärmeübertragungen und Reaktionen in nahezu allen Größenskalen abgebildet werden.

Im Bild rechts sind z.B. unerwünschte Lufteinschlüsse (weiße Flächen), die sich beim Befüllen einer Apparatur bilden, dargestellt. Hierbei spielen Geometriefaktoren eine wesentliche Rolle. Physikalisch wird die Form der freien Oberflächen durch die Oberflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Luft sowie durch den Wandkontaktwinkel stark beeinflusst.

Wir entwickeln seit über 20 Jahren derartige Berechnungsmodelle maßgeschneidert für die Bedürfnisse unserer Kunden. Ihr spezifisches Fachwissen verzahnen wir mit unserem Simulations-Knowhow und unserem physikalischen Verständnis. Durch die Beteiligung an Forschungsvorhaben und die Kooperation mit Hochschulen und Softwareanbietern sind unsere Methoden stets auf dem modernsten Stand.

Kontakt: Volker Kassera, CFD Consultants GmbH

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