Analyse van de bloedstroming in de halsslagadervertakking

Analyse van de bloedstroming in de halsslagadervertakking

Steenhoven, van, A. A., & Hofhuis, J. E. (1987). Analyse van de bloedstroming in de halsslagadervertakking. (BMGT info; Vol. 32), (BMGT; Vol. 87.570). Projektburo voor Biomedische en Gezondheidstechnologie.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1987 Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

.[!l

o

Analyse van de bloedstroming in de

halssl'agadervertakking

Biomedische en Gezondheidstechnologie

Technische Universiteit Eindhoven

1

~

j

_1~F5~

_o

W

N

U)~

f\)

N

cg

t)

o

Inhoudsopgave

5

5

Inleiding

De gezondheidszorg is een van de gebieden waarin technologische kennis en vaardigheden een maatschappelijk zinvolle betekenis kunnen krijgen. Zo'n twintig vak-groepen, verdeeld over aile fakul-teiten van de TUE, houden zich bezig met onderzoek en onderwijs op het gebied van de BioMedische en GezondheidsTechnologie (BMGT). Het totale BMGT-gebeuren steunt op deze vakgroepen.

Biomedische en gezondheidstechno-logie (BMGT) vormt een multidiscipli-nair gebied tusssen gezondheidszorg en techniek dat wordt gedefinieerd als: aile aktiviteiten Waarbij natuurwe-tenschappelijke en technologische kennis en vaardigheden worden ge-bruikt en aangevuld voor probleem-stellingen uit de gezondheidszorg en biologie.

Dit kan zi{n materialenonderzoek t.b.v. kunstorganen en -Iedematen, het ontwikkelen van nieuwe diag-nostische, therapeutische of revali-datie-apparatuur, maar ook het ontwikkelen van organisatie-modellen voor instellirigen van gezondheids-zorg. Kortom, er zijn legio aanrakings-punten om technologische kennis toe te'passen in de gezondheidszorg.

Het grootste deel van BMGT-onder-zoek aan de TUE is ondergebracht

in een drietal programma's: - Technologie rond Vitale Funkties (TVF).

- Ziekenhuis Research Projekt (ZRP). - Perceptieve informatieverwerking

in wisselwerking met apparatuur en programmatuur (IPO).

Het BMGT-onderwijs aan de TUE bestaat uit een dertigtal medisch-technische keuzevakken verzorgd door de verschillende vakgroepen, welke door studenten uit aile

fakul-teiten kunnen worden gevolgd. V~~r

studenten is het ook mogelijk om binnen iedere fakulteit van de TUE de studie met een specialisatie in of aksent op medische technologie af te ronden. Bij de fakulteit Werktuig-bouwkunde bestaat reeds een for-meel goedgekeurde variant W van de vrije studierichting biomedische technologie.

De zorg voor onderlinge samenhang van aile BMGT-aktiviteiten - waar mogelijk en gewenst - wordt gedra-gen door het TUE-centrum BMGT bestaande uit de gemeenschappe-lijke kommissie BMGT met een daarbij behorend projektburo BMGT. Naast de afstemming tussen de fakulteiten zorgt het centrum BMGT ook voor een afstemming van de BMGT-aktiviteiten met het TUE-instellingsbeleid voor onderwijs en onderzoek.

Landelijk vindt overleg plaats tussen de 3 Technische Universiteiten en TNO in het Inter-Centra-Overleg BMT (ICO-BMT) en in het Inter-Uni-versitair- Overleg (IUO-BMT) dat samengesteld is uit het ICO, uitge-breid met de medische fakulteiten

en akademische ziekenhuizen. Deze brochure beschrijft een deel van de BMGT-gerichte aktiviteiten van de vakgroep 'Fundamentele Werktuigkunde' (WFW) binnen de faculteit der Werktuigbouwkunde van de TUE. Het hier beschreven multi-disciplinaire onderzoek heeft als doel te komen tot een vroeg-tijdige opsporing van atherosclerose. Binnen de vakgroep WFW wordt nog op enkele andere onderwerpen onderzoek verricht, met name binnen de thema's 'het bewegingsapparaat van de mens' en 'het ontwerp van (hart)vliesklepprothesen' (zie hiervoor ook de brochures 24 en 22 in deze reeks).

Het bewegingsapparaat van de mens omvat een drietal projekten.

Het elleboog- onderzoek richt zich op het verkrijgen van inzicht in de wijze waarop bindweefselstrukturen rond de elleboog spierkracht inlei-den naar het bot.

Onderzoek rond het kniegewricht richt zich op het verkrijgen van inzicht in de wijze waarop de knie dynamische belastingen deels door-geeft en deels dempt. Een recent gestart projekt rond skeletspieren heeft tot doe I het ontwikkelen van een theoretisch-mechanisch model van skeletspierweefsel, te gebruiken bijvoorbeeld voor onderzoek naar krachtinleiding en acute over-belasting van spieren bij sporten en bewegen.

(hart)vlieskleppro-thesen heeft als doel om op basis van een studie naar het funktioneren van de natuurlijke aortaklep tot inzichten te komen die voor het ontwerp van kunstmatige hartkleppen van nut kun-nen zijn.

Doelstelling

Sinds 1982 stelt het interafdelings-project 'Atherosclerose' van de Tech-nische Universiteit Eindhoven, waarin bovendien vakgroepen van de Rijksuniversiteit Limburg en de Technische Universiteit Delft partici-peren, zich als doel het ontwikkelen en evalueren van meetmethoden voor de detectie van atherosclerose (aderverkalking) in een vroegtijdig stadium. Daarbij speelt de voorspel-ling van de te verwachten mechani-sche en hydrodynamimechani-sche veranda-ringen een wezenlijke rol. De aandacht wordt dan ook met name gericht op het beschrijven en verkla-ren van stromingspatronen die op-treden in de vertakking van de halsslagader, en de invloed van kleine vernauwingen «30%) daarop. Dit gebeurt door middel van experi-menten en numerieke simulaties.

Probleemstelling

Om meer inzicht te verkrijgen in het natuurlijk verloop van aderl\'erkalking is het belangrijk vernau'wingen van bloedvaten vroegtijdig te detecteren. De halsslagader (arteria carotis com-munis) loopt van beneden naar boven en splitst zich in een arteria carotis externa, die de buitenkant van het hoofd verzorgt, en een a.carotis inter-na, die naar de hersenen loopt (zie figuur 1).

Met name de bloeddoorstroming in de interna is in deze beschouwing interessant, omdat een embolie gege-nereerd door een dergelijke athero-sclerotische aandoening (= laesie) ernstige verstoringen van de bloeds-om loop in de hersenen tot gevolg kan hebben. De interna vormt na zijn af-splitsing in het algemeen een verwij-ding, de zogenaamde sinus [1]. Aangezien vaak in het begin van deze sinus atherosclerotische laesies ge-vonden worden, is dit gedeelte van

(Jm7Tl:)n (2fC"1[1 3dery artery Internal carohd artery divider wall

Fig. 1: Gemiddelde geometrie van de hals-slagadervertakking, bepaald uit 100 Rontgen-foto's. Uit [1).

de interna uitgebreid onderwerp van onderzoek.

De vraagstelling is daarbij twee-Iedig: - is er een relatie tussen het ontstaan van deze laesies en het locale stro-mingsgebeuren?

- kunnen deze laesies gediagnos-tiseerd worden door de verstoringen in de snelheidsverlopen te detecteren? Over het eerste punt is in de loop der tijd veel gespeculeerd maar hard bewijsmateriaal voor een causale relatie tussen vloeistofstroming en aderverkalking is niet gevonden. Wei is een sterke correlatie gevonden tussen de aanwezigheidvan gebie-den met lage en/of oscillerende

wandschuifspanningen

schuif-kracht per opperviakteeenheid die de vloeistof op de wand uitoefent) en het begin van aderverkalking [2]. Het tweede deel van de vraagstelling is van belang omdat momenteel multigate pulsed-Doppler systemen voorhanden zijn, die bij mensen

snelheidsprofielen het verloop

van de vloeistofsnelheid over een dwarsdoorsnede van het bloedvat) kunnen meten met een hoge resolu-tie in plaats en tijd (zie figuur 2) [3, 5]. Echter voor beide vraagstellingen is een gedetailleerde analyse van de stromingspatronen essentieel. Een volledige beschrijving van de stro-ming in de halsslagadervertakking is evenwel moeilijk te geven: de geo-metrie is gecompliceerd omdat de arterien geen constante diameter hebben, gekromd zijn en zich ver-takken, de stroming instationair is,

de vloeistof zich niet- Newtons niet

als water) gedraagt en de vaatwanden flexibel zijn [4].

Daarom zijn binnen het onderzoeks-project vooralsnog enige vereen-voudigende aannamen gemaakt: de vloeistof wordt Newtons beschouwd en de stroming is geanalyseerd in starre modellen van de halsslagader-vertakking. De vloeistofsnelheden worden daarin gemeten met een laser-Doppler snelheidsmeter [6] en bovendien uit behoudswetten voor massa en impuls berekend m.b.v. een computer (FEM) [8, 10]. Hier wordt nader ingegaan op een aantal geometrisch vereenvoudigde model-len van de halsslagadervertakking

recorded in plane bifurcation

~~~~~~":.:-~~ .-~. ~~~~~~T~

..

Fig. 2: Axiale snelheidsprofielen op diverse tijdstippen tijdens de hartcyclus en de relat/eve diameter verandering tijdens die eyclus, geregistreerd voor de communis. In fotaal zijn 3 hartcycli weergegeven. Vit [5].

en daarbij wordt voor de duidelijk-heid primair de aandacht gericht op de stationaire stromingsresultaten. (stationair betekent dat de stroming niet varierend is in de tijd)

Vernauwing

Het eerste onderzochte model betrof de stationaire stroming over een rechthoekige stap (zie figuur 3). Achter de stap ontstaat dan een terugstroomgebied waarvan de lengte ongeveer even redig is met het produkt van hoofdstroom-snelheid en staphoogte [7]. In het instationaire geval blijken de terug-stroomgebieden zowel aan de kant waar de vernauwing zit op te treden alsook aan de overzijde daarvan. De vorm van deze terugstroomgebieden blijkt sterk samen te hangen met de momentane waarde van het debiet (de hoeveelheid vloeistof die per tijdseenheid door een dwarsdoor-snede stroomt)

Fig. 3: Axiale snelheidsprofielen voor €len (stationaire) stroming over €len rechthoekige vernauwing. Uit [7).

2D-vertakki ng

Daarna is het stromingsgebeuren in een twee-dimensionaal (20) model van de normale halsslagader-vertakking onderzocht. In een derge-lijk model zijn de bloedvaten niet meer rond maar rechthoekig

(hoogte: breedte

=

stationaire geval (zie figuur 4), blij-ken terugstroomgebieden (gebieden waar de snelheid terugwaards is gericht) te ontstaan aan de buiten-wand en van zowel de interna als de externa. Daar het debiet door de interna groter is en mede door de

Fig. 4: Axiale snelheidsprofielen in de communis, interna en extern a van €len twee-dimensionaal model van de hals-s/agadervertakking. Uit (13).

aanwezigheid van de sinus is de omvang van dit gebied in de interna groter dan in de externa. Aan de bin-nenwanden van de vertakking treden grote snelheidsgradienten (= snel-heidsverandering per plaatseenheid) op. Vanwege de materiaaleigenschap-pen van vloeistoffen betekent dit dat in de terugstroomgebieden de wandschuifspanning laag is en aan de wanden daartegenover groot is. Als de stroming instationair wordt, worden de snelheidsverlopen in plaats en tijd erg gecompliceerd en varieren ook de positie en lengte van de terugstroomgebieden sterk in tijd [12, 13].

Bocht

V~~r het onderzoek naar drie-di-mensionale invloeden bij de over-gang van communis naar interna heeft eerst de inlaatstroming in een gekromde pijp model gestaan. Van-wege de centrifugale effecten treedt dan een sterke vervorming van het

axiale snelheidsprofiel (= profiel van

de component van de snelheid in de richting van de buisas) op. In figuur 5 is het verloop van deze snelheid over een halve dwarsdoorsnede gra-fisch weergegeven. De oorzaak van die profielverstoring moet worden gezocht in het ontstaan van een stro-ming in het vlak loodrecht op de

\ : \ 7 ! \

• • •

A44

~~~,

Fig. 5: Drie dimensionale weergave van het axiale snelheidsveld in een gekromde buis. In de bovenste figuur zijn de meetposities en het gebruikte co6rdinatenstelsel aange-duid. Uit [11].

6

buisas. Deze zogenaamde secundaire component van de snelheid zorgt samen met de axiale component voor een schroefvormig transport van vloei-stofdeeltjes [11, 14]

Het instationaire karakter van de stro-ming be·invloedt (naar verwachting) sterk de secundaire stromings-profielen en daardoor ook de axiale snelheidsprofielen.

3D-vertakking

De stationaire stroming in een drie-dimensionaal (3D) star model van de normale halsslagader-vertakking blijkt een combinatie te zijn van de gevonden stromingspatronen in het twee-dimensionale vertakkingsmodel en de inlaatstroming in een bocht

(zie figuur 6). In de communis en de voorste gedeelten van de interna en extern a blijken soortgelijke

stromingsprofielen op te treden als in het twee-dimensionale model. In het meer stroomafwaarts gelegen gedeelte van met name de interna worden echter schroefvormige stromingspatronen gevonden sa-menhangend met de groei van het

Sectional view

t

Fig. 6: Schematische weergave van het stationaire stromingsgebeuren in een drie-dimensionaal model van de

secundaire stromingsveld [1, 15]. Vanwege de invloed op de plaats en omvang van de recirculatiegebieden en de secundaire snelhaden is ook hier het instationaire karakter van de stroming van eminent belang [2]. In het geval dat er ook nog een kleine vernauwing in de sinus aanwezig is zjjn bovendien extra recirculatie-gebieden te verwachten.

Voortgang

In het toekomstige onderzoek wordt de aandacht gericht op de invloed van de flexibiliteit van de vaatwand en de relatie tussen wandschuif-spanning en massatransport (bijv. van cholesterol) door de vaatwand heen. Door de flexibiliteit van de vaatwand is de invloed van een druk- of debietverandering bij de ingang van de vertakking niet meer direct merkbaar in de zijtakken, maar ontstaan er druk- en flowgol-ven in het systeem [9, 16].

Made door de reflecties van deze gol-yen aan de vertakking kunnen zjj de snelheidsprofielen en vooral de wand-schuifspanningen wezenlijk be'in-vloeden.

De waarde en het verloop in de tijd van deze wandschuifspanningen heb-ben naar verwachting een grote invloed op het massatransport door de vaatwand. Verder onderzoek is echter noodzakelijk om de invlooden daarvan te kwantificeren.

Literatuur

1. Bharadvaj, B.K., Mabon, R.F. and Giddens, D.P.: Steady flow in a model of the human carotid bifurca-tion, Part 1- Flow visualisabifurca-tion, Part 2- Laser-Doppler anemometer measurements. J. Biomechanics 15, 349-378, 1982.

2. Ku, D.N. and Giddens, D.P.: Pul-satile flow in a model carotid bifur-cation. Arteriosclerosis 3, 31-39, 1983.

3. Hoeks, A.P'G., Reneman, R.S. and Peron neau , P.A.: A multigate pulsed Doppler system with serial data-processing. IEEE Trans. Sonies Ultrasonics 28, 242-251, 1981. 4. Van Dongen, M.E.H. and van Steen hoven, AA: Some fluid dyna-mical aspects of arterial flow. In: Doppler Ultrasound in the Diagnosis of Cerebrovascular Disease, ads. R.S. Reneman and AP.G. Hooks, 29-58. New York, Research Studies Press, 1982.

5. Reneman, R.S., van Merode, T., Hick, P. and Hooks, A.P.G.: Flow velocity patterns in and distensibility of the carotid artery bulb in subjects of various ages. Circulation 71,

500-509,1985.

6. Corver, JAW.M., van de Vosse, F.N., van Steenhoven, AA and Re-neman, R.S.: The influence of a small stenosis in the carotid bulb on adjacent axial velocity profiles. In: Biomechanics Current Interdisci-plinary Research, ads. S.M. Perren

and E. Schneider, 239-244. Dor-drecht, Martinus Nijhoff Publ.,1985. 7. Van de Vosse, F.N., Vial, F.H., van Steenhoven, A.A., Segal. A. and Janssen, J.D.: A finite element and experimental analysis of steady and pulsating flow over a

two-di-mensional step. In: Numerical Me-thods in Laminar and Turbulent

Flow, ed. C. Taylor, 515-526.

Swan-sea, Pineridge Press. 1985.

8. Cuvelier. C., Segal. A and van

Steenhoven. AA: Finite Element

Methods and Navier-Stokes Equa-tions. Dordrecht, Reidel Publ. Comp., 1986.

9. Van Steenhoven, AA and van

Dongen, M.E.H.: Model studies of the aortic pressure rise just after valve closure. J. Fluid Mech. 166

93-113, 1986. •

10. Van de Vosse, F.N., Segal.

A.

van Steenhoven, AA and Janssen.

J.D.: A finite element approximation of the unsteady 2D Navier-Stokes equations. Int. J. Num. Meth. Fluids 6.427-443, 1986.

11. Bovendeerd, PH.M., van

Steen-hoven, AA, van de Vosse, F.N. and

Vossers, G.: Steady entry flow in a

curved pipe. J. Fluid Mech.

177,

233-246, 1987.

12. Van de Vosse, F.N.: Numerical analysis of carotid artery flow. Ph.D. Thesis, Eindhoven University of Technology, 1987.

8

13. Rindt, C.C.M., van de Vosse. F.N., van Steenhoven, A.A., Janssen, J.D. and Reneman, R.S.: A numeri-cal and experimental analysis of the flow field in a 2-dimensional model of the human carotid artery. J. Biomechanics 20. 499-509. 1987. 14. Van de Vosse, EN., van

Steenho-ven, A.A., Segal, A and Janssen

J.D.: Steady laminar entrance flow in a curved pipe. Int. J. Num. Meth. Fluids, submitted.

15. Rindt, C.C.M., van Steenhoven. A.A. and Reneman. R.S.: An experi-mental analysis of the flow field in a 3D-model of the human carotid artery bifurcation. J. Biomechanics, submitted.

Kolofon

Kenmerk BMGT/87.570 Auteurs:

Dr.lr. A.A. van Steen hoven Drs. J.E. Hofhuis

Foto's, vormgeving en druk

Stafgroep Reproduktie en Fotografie Technische Universiteit Eindhoven Technische Universiteit Eindhoven Projektburo voor Biomedische en Gezondheidstechnologie

Postbus 513

5600 MB Eindhoven Tel. (040) 472008