Characterization of Flow Dynamics in a Heart Simulator by means of PIV = Charakterisierung der Strömungsdynamik in einem Herzsimulator mittels PIV

Diese Arbeit konzentriert sich auf die strömungsmechanische Charakterisierung von Regurgitationsjets, die durch insuffiziente Mitralklappen entstehen. Die Untersuchungen wurden mit Particle Image Velocimetry (PIV) Messtechnik und eigens entwickelten Post-Processing-Skripten durchgeführt. Die Mitralinsuffizienz ist die häufigste Form der Herzklappenerkrankung und bezeichnet den Rückfluss von Blut in den linken Vorhof aufgrund einer insuffizienten Mitralklappe, was zu verschiedenen gesundheitlichen Komplikationen führt. Eine genaue Diagnose der Mitralinsuffizienz ist für eine erfolgreiche Behandlung von entscheidender Bedeutung. ... mehrBei komplexen Regurgitationsjets ist die Aussagekraft herkömmlicher Methoden jedoch limitiert. Diese Studie zielt darauf ab, das Verständnis für die komplexe Strömungssituation von Regurgitationsjets zu verbessern und so zur Verbesserung der Diagnose und damit der Therapie beizutragen.
Dazu wurden phasengemittelte und phasenaufgelöste 2D2C-PIV-Experimente für verschiedene Mitralklappengeometrien im Herzsimulator durchgeführt. Der Laserlichtschnitt wurde traversiert, um quasi 3D Geschwindigkeitsdaten zu erhalten. Drei generische Mitralklappengeometrien unterschiedlicher Größe wurden untersucht: eine runde Lochblende, ein spitzes Oval und eine Tropfenform. Zusätzlich wurden eine exzentrische Klappengeometrie und eine patienten-spezifische Klappe untersucht. Die Geschwindigkeitsdaten wurden bezüglich zeitlichem Strömungsverlauf und Form des Jets untersucht. Die Wirbeldynamische Untersuchung basierte auf der Wirbelstärke, sowie dem Q- und $\Gamma_1$-Kriterium. Die Ergebnisse der generischen Mitralklappen zeigten typische Merkmale von pulsierenden Jets. Unterschiede in der radialen Geschwindigkeitsverteilung konnten mit den unterschiedlichen Öffnungsformen in Verbindung gebracht werden. Die Sattel-behafteten radialen Profile der Axialgeschwindigkeit am Auslass können durch die geringe Einlasslänge und die scharfen Öffnungsränder erklärt werden. Zusätzlich zu periodisch wiederkehrenden Anfangswirbeln wurden Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten in der Grenzschicht stromaufwärts detektiert. Die exzentrische Klappengeometrie zeigte ähnliche Beobachtungen, jedoch um den Winkel der Exzentrizität gedreht. Die patientenspezifische Mitralklappe ergab, im Vergleich zu den generischen Fällen,eine deutlich instabilere und turbulentere Strömungssituation, was auf die komplexere Öffnungsform, die höhere Reynoldszahl und die größere Flexibilität der Klappenblätter zurückzuführen ist. Form und Richtung des Jets unterlagen starken zeitlichen und räumlichen Schwankungen. Gemittelte PIV-Auswertungen ergaben ein dominantes Anfangswirbelpaar, während Einzelbildpaarauswertungen keine eindeutige Wirbelerkennung zeigten. Für zukünftige Untersuchungen wird empfohlen, das Innere des Atriums mit einer realistischeren Geometrie zu modellieren und Hochgeschwindigkeits-PIV zu verwenden.

This thesis concentrates on characterizing the fluid mechanics of Mitral regurgitation jets within a heart simulator via Particle Image Velocimetry (PIV) and custom developed postprocessing scripts. Mitral regurgitation is the most common type of valvular heart disease and is caused by blood flowing back into the left atrium due to an insufficient mitral valve, resulting in several complications. It is essential to diagnose Mitral regurgitation accurately for successful treatment, but conventional diagnosis techniques have major limitations in complex flow situations. This study aims to enhance the comprehension of the complex flow situation of regurgitant jets and thus contribute to the diagnosis of Mitral regurgitation. ... mehrPhase-averaged and phase-resolved 2D2C PIV experiments were conducted for varying Mitral valve geometries incorporated into a heart simulator. The laser light sheet was traversed to retrieve quasi 3D velocity data. Three generic Mitral valves geometries of different sizes were investigated: a pinhole, a pointed oval and a drop shape. In addition, an eccentric valve geometry and a patient-specific Mitral valve were investigated. The velocity data collected was analysed for the jet’s temporal and spatial development. Evaluation of the vorticity and the application of the Q- and $\Gamma_1$-criterion formed the vortex dynamical analysis of the jet.
The findings from the generic Mitral valves showed typical characteristics of pulsating free jets in terms of potential core length and axial velocity evolution. Differences in the spreading and radial distribution of velocity could be related to the different orifice shapes. Saddle-backed radial profiles of axial velocity observed near the outlet can be explained by the Mitral valve’s geometrical properties. Specifically, the small inlet length and sharp orifice edges may account for this observation. Periodic starting vortex pairs were detected in addition to Kelvin-Helmholtz instabilities in the upstream boundary layer. The valve producing the eccentric jet showed similar observations but rotated with the angle of eccentricity. The patient-specific Mitral valve showed a significantly more unsteady and turbulent flow situation compared to the generic cases, which can be attributed to the more complex orifice shape, higher Reynolds number and increased flexibility of the valve leaflets. The jet’s shape and direction experienced strong temporal and spatial fluctuations. Averaged PIV evaluations revealed a dominant starting vortex pair, while single image pair evaluations showed a disturbed and unsteady flow situation with no clear vortex detection. To pursue future investigations, it is recommended to model the atrium’s interior with more realistic geometry and utilize high-speed PIV.