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Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung der Blutströmung in menschlichen Karotisarterien. Der Zusammenhang zwischen Hämodynamik und Arteriosklerose, die häufig im Bereich der Y-förmigen Verzweigung der Arteria Carotis auftritt, wurde in maßstabsgetreuen, elastischen Modellen menschlicher Karotiden untersucht. Dazu wurde die physiologische, pulsierende Blutströmung unter Verwendung eines nichtnewtonschen Fluides mit blutähnlicher Viskosität in den Modellen simuliert. Mit Hilfe von Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) wurden die dreidimensionalen Strömungsgeschwindigkeitsvektoren erfaßt. Mit den daraus erhaltenen Daten wurden durch numerische Integration anschließend Bahnlinien berechnet, um die Bewegung der Erythrozyten zu verfolgen und deren Aufenthaltszeiten im Karotissinus zu erhalten. Mit in der klinischen Diagnostik gebräuchlichen Duplexsonographiesystemen wurden an den Modellen ferner flächendeckende, zweidimensionale Farbdopplermessungen ausgeführt, aus denen zweidimensionale Geschwindigkeitsvektoren berechnet wurden (Vektorrekonstruktion). Diese werden mit den LDA-Ergebnissen verglichen. Erstmals wird die Vektorrekonstruktion des Geschwindigkeitsfeldes für pulsierenden Strömungsbedingungen durchgeführt. Ergebnisse: Die mittlere Reynoldszahl betrug im Modell der gesunden, nichstenotisierten Karotis 250, der Womersley-Parameter ca. 4,1. In der Arteria Carotis Comunis findet sich ein fastparabolisches, pulsierendes Geschwindigkeitsprofil. Sekundärströmungen treten nicht auf. In der Arteria Carotis Interna zeigt die axiale Geschwindigkeitskomponente der LDA-Messung maximale Geschwindigkeiten am Strömungsteiler. Die höchsten Geschwindigkeiten werden während des systolischen Maximums erreicht. An der gegenüberliegenden Wand tritt Strömungsablösung mit Rückströmungen in Wandnähe auf. Die Rückströmungen erscheinen nur während der endsystolischen Verzögerung. Die Sekundärströmung zeigt ein Deansches Wirbelpaar. Alle drei Geschwindigkeitskomponenten bilden ein komplexes, instationäres Geschwindigkeitsfeld. Die Berechnung der Bahnlinien zeigt, daß Partikel im Bereich des Strömungsteilers den Karotissinus im Modell der gesunden, nichtstenotisierten Karotis geradewegs und schnell passieren. Nahe der Außenwand ist infolge des Deanschen Wirbels deutlich Querbewegung der Partikel zu erkennen. Ebenso tritt während der endsystolischen Verzögerung Rückwärtsbewegung auf. Trotzdem passieren alle betrachteten Partikel den Sinus innerhalb eines Pulszyklus. Die Farbdopplermessungen zeigen gute Übereinstimmung zu den LDA-Messungen. Die aus den Farbdopplerdaten berechneten zweidimensionalen Geschwindigkeitsvektoren zeigen deutlich Rückströmung und Strömungsablösung im Karotissinus. Demzufolge können mit im klinischen Einsatz gebräuchlichen Sonographiesystemen unter Verwendung der vorgestellten Vektorrekonstruktion detaillierte Strömungsanalysen durchgeführt werden. Damit werden die Diagnosemöglichkeiten in der Gefäßdiagnostik deutlich erweitert. This Ph.D. thesis focuses on blood flow investigations in human carotid arteries. The complex relation between hemodynamics and arteriosclerosis was investigated in true-to-scale models of human carotid arteries. In the models, the physiological pulsatile blood flow was simulated using a fluid with non-Newtonian blood-like viscosity. Three-dimensional flow velocity vectors were measured with laser-Doppler-anemometry (LDA). Particle path lines were calculated from these data to analyse the motion of the erythrocytes. Further, a new method of two-dimensional color Doppler sonography measurements is presented and compared to the LDA results. Two dimensional velocity vectors were reconstructed for entire cross sections from the two-dimensional sonography data. This is shown for the first time for pulsatile flow conditions. Results: In a model of a healthy, non stenosed carotid artery the average Reynolds number was 250, the Womersley parameter 4,1. A parabolic velocity profile was found in the Common Carotid Artery without secondary flow. The axial velocity components show high velocities close to the flow divider wall in the Internal Carotid Artery. Maximum velocities appear at the systolic peak. At the opposite wall, a flow separation zone was found containing backward flow close to the wall. The backward flow appears only at the end of the systolic deceleration. The secondary flow shows two counter-rotating vortices (Dean). All three components show a very complex unsteady flow field. The path line calculations show that particles close to the flow divider pass straightly the carotid sinus. Close to the outer wall, particles move within the Dean vortex. Backward motion also appears at the end of the systolic deceleration but all observed particles pass the sinus within one pulse cycle. The color Doppler measurements show good correlation to the LDA measurements. With the vector reconstruction method, the flow separation and backward flow in the carotid sinus can clearly be seen. Integrating this method into commercial color Doppler systems would significantly improve the possibilities of clinical trials. |
