Particle Image Velocimetry (PIV)

  PIV Aufbau Urheberrecht: CVEAME Abbildung 1: PIV Aufbau

Bei blutführenden medizinischen Systemen besteht die Gefahr der Hämolyse und der Thrombogenese. Hämolyse tritt bei hoher Scherbelastung der roten Blutkörperchen im Strömungsfeld auf. Thromben bilden sich u.a. in Gebieten mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Um sowohl Hämolyse als auch Thrombogenese minimieren zu können, werden die strömungsdynamischen Eigenschaften der Systeme mit Hilfe der Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht und beurteilt.

Methodik

Die PIV ermöglicht die zeitgleiche Ermittlung aller drei Geschwindigkeitskomponenten in einer Messebene. Die Erfassung der Geschwindigkeit erfolgt optisch, so dass sowohl das Strömungsmodell als auch das Modellfluid transparent sein müssen. Der Strömung werden weiterhin Kleinstpartikel zugegeben, die der Strömung folgen. Diese Partikel werden durch einen Laserlichtschnitt in der Messebene beleuchtet und von einer bzw. mehrerer Kameras aufgezeichnet (Abbildung 1).

Ist der Zeitabstand zweier aufgenommener Bilder klein gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit, kann durch den Vergleich der beiden Bilder mittels statistischer Auswertealgorithmen (z.B. Kreuzkorrelation) auf die Partikelverschiebung geschlossen werden. Die lokale Verschiebung und der Zeitabstand ergeben dann die lokalen Geschwindigkeiten.

Der Einsatz von zwei Kameras, die die Strömung simultan aus verschiedenen Winkeln aufzeichnen ermöglicht auch die Bestimmung der Geschwindigkeitskomponente orthogonal zu der Messebene. High-Speed Kameras ermöglichen zudem die zeitaufgelöste Messung der Strömung. Drei-dimensionale Strömungsfelder lassen sich zeitgemittelt durch Verschieben der Messebene ermitteln.

Ergebnisse

Abbildung 2 zeigt zwei typische Partikelbilder einer PIV-Messung. Durch statistische Auswerteverfahren kann die Partikelverschiebung als Vektor-plot ausgewertet werden. Neben der Erfassung der Strömungsverhältnisse an Blutpumpen, Herzklappen oder Oxygenatoren werden auch grundlegende Messungen der Strömung, z.B. durch eine menschliche Aortengeometrie (Abbildung 3), durchgeführt.

  Partikelbilder Urheberrecht: CVEAME Abbildung 2: Partikelbilder und resultierendes Geschwindigkeitsfeld   3D Geschwindigkeitsfeld Urheberrecht: CVEAME Abbildung 3: 3D Geschwindigkeitsfeld und Messebenen der Strömung durch eine menschliche Aorta