Simulation die zu Herzen geht
Branche: MedizintechnikFachgebiet: Multiphysics, StrukturmechanikBei der Neuentwicklung eines Stents aus Nitinol bediente sich das Unternehmen ADMEDES Schuessler den Erkenntnissen aus einem Simulationsmodell, welches CADFEM auf Basis von Ansys Multiphysics generierte, um die Wechselwirkungen zwischen Fluid und Struktur an der Aortenklappe während des Pulsschlags besser zu verstehen.
Zusammenfassung
Aufgabe
Um die Wechselwirkung zwischen Stent und Herzklappe während eines Pulsschlags genau vorherzusagen, musste ein Simulationsmodell entwickelt werden, das die transienten Abläufe zwischen Flüssigkeit (Blut) und Struktur (Stent-Netz) exakt widerspiegelt. Außerdem sollten Aussagen zu den Auswirkungen des Dauerbetriebs auf die Lebensdauer des Stents getroffen werden können.
Lösung
Mit Hilfe der ANSYS Multiphysics-Plattform wurde ein realitätsnaher Simulationsprozess aufgesetzt. Eine erste Strukturanalyse lieferte die Spannungs- und Verformungsdaten des Stents im aufgeweiteten Zustand. Diese unter Spannung stehende Struktur wurde dann mit den Segelklappen des Herzens verknüpft. Mittels einer transienten Fluid-Struktur-Wechselwirkungsanalyse sind der Stent und die Aorta einbezogen worden, sowie die Druckkräfte des Blutes, die auf die Segelklappen wirken.
Kundennutzen
ADMEDES Schuessler erhielt einen detaillierten Simulationsprozess zur Vorhersage der Haltbarkeit und Lebensdauer des Stents bei unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen.
Das Unternehmen ADMEDES Schüssler ist ein weltweit führender Anbieter von fertigen, selbstexpandierenden Nitinol-Implantaten. Um die Wechselwirkung zwischen Stent und Herzklappe während eines Pulsschlags genau vorherzusagen, musste ein Simulationsmodell entwickelt werden, das die transienten Abläufe zwischen Flüssigkeit (Blut) und Struktur (Stent-Netz) exakt widerspiegelt. Außerdem sollten Aussagen zu den Auswirkungen des Dauerbetriebs auf die Lebensdauer des Stents getroffen werden können.
Dieses Pilotprojekt lieferte:
- bisher noch nie da gewesene Erkenntnisse über die Entwicklung von Kräften und Spannungen während eines systolischen Pulsschlags,
- einen Nachweis der Stabilität und Robustheit des Stents unter den simulierten Bedingungen,
- tiefgreifende Informationen, die mit experimentellen Messungen nicht zugänglich sind,
- ein maßgeschneidertes Modellierungsverfahren für die Vorhersage der Stentstabilität und -lebensdauer bei unterschiedlichen Arbeitsbedingungen.
Mit Hilfe der ANSYS Multiphysics-Plattform wurde ein realitätsnaher Simulationsprozess aufgesetzt. Ausgehend von einem expandierten Stent (Abb. Position a) lieferte eine erste Strukturanalyse den Spannungs- und Verformungszustand nach dem Crimpen und Positionieren gegen die Aortenwand (Abb. Position b). Die vorgespannte Struktur wurde dann mit den Segelklappen des Herzens verbunden (Abb. Position c). Während einer transienten Fluid-Struktur-Wechselwirkungsanalyse wurden dann Stent und Aortenwand berücksichtigt und die Druckkräfte vom Blut auf die Segelklappen übertragen (Abb. Position d). Die Entwicklung der Spannungen im Stentmaterial Nitinol wurden über einen vollständigen systolischen Pulsschlag ermittelt (Abb. Stent Modell mit Diagramm). Die anisotropen Materialeigenschaften des Herzbeutels wurden ebenso berücksichtigt wie ein Materialmodell für die Formgedächtnislegierung Nitinol sowie ein nicht-Newtonsches Viskositätsmodell für menschliches Blut.
