Title: Simulation of arterial blood flow with the lattice Boltzmann Method
Language: English
Authors: Leitner, Johannes Daniel 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Simulation; Hämodynamic; Blutfluss; Lattice Boltzmann Methode; LBGK; Strömungsdynamik
Simulation; Hemodynamics; Blood Flow; Lattice Boltzmann Method; LBGK; fFuid Dynamics
Advisor: Breitenecker, Felix
Issue Date: 2007
Number of Pages: 121
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Da kardiovaskuläre Erkrankungen die häufigste Todesursache in den westlichen Industriestaaten sind, wird auf diesem Gebiet bereits intensiv geforscht. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation von Blutfluss in den großen Arterien, wobei besonders auf die lokalen Strömungseigenschaften des dynamischen Flusses eingegangen wird. Bei den charakteristischen Geschwindigkeiten und Längen, die dabei auftreten, ist es möglich, Blut als eine Newtonsche Flüssigkeit zu betrachten. Solche Flüssigkeiten können mit den Navier-Stokes Gleichungen beschrieben werden. Diese Gleichungen müssen im Allgemeinen numerisch gelöst werden, was anhand der Lattice Boltzmann Methode geschieht.
Lattice Boltzmann Methoden sind explizite numerische Verfahren, die durch einen Bottom-up-Ansatz hergeleitet werden können und häufig in der Strömungsmechanik zur Anwendung kommen. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Methode auf den kardiovaskulären Bereich anzuwenden. Dafür muss das Verfahren um eine neue Randbedingung erweitert werden, welche die Elastizität der Arterienwände beschreibt. Dadurch ist es möglich, die Methode in der Blutflusssimulation einzusetzen, wobei auf die in technischen Anwendungen unüblichen Reynoldszahlen, auf die Elastizität der Gefäße und auf die kompliziert verzweigte Geometrie Rücksicht genommen wird.
Die vorgestellten Verfahren und Randbedingungen wurden in Java implementiert und außerdem wurde eine Softwareumgebung erstellt, die den Benutzer in den folgenden Aufgaben unterstützt: Zunächst bei der Erfassung der Daten, wobei geometrische Randwerte patientenspezifisch durch Magnet Resonanz Angiographie gewonnen werden sollen. Weiters beim Platzieren beliebiger Randwerte, vor allem von geeigneten dynamischen Ein- und Ausflüssen und anschließend bei der Interpretation und Visualisierung der Ergebnisse. Dabei können die Ergebnisse entweder nach Matlab exportiert werden oder mit direkter Volumsvisualisiserung oder mit geometrie-basierten Verfahren dargestellt werden.

Cardiovascular diseases are the most frequent cause of death in the western industrial countries, therefore recently a lot of research is done in this area. This work focuses on blood flow simulation in large arteries where the local properties of the dynamic flow are under investigation. The characteristic velocities and lengths that thereby occur make it possible to approximate blood as a Newtonian fluid. Therefore the flow can be described by the Navier-Stokes equations. These equations in general must be calculated numerically, which is done with the Lattice Boltzmann method.
Lattice Boltzmann methods are explicit numerical schemes that are derived with a bottom-up approach and are widely used in fluid mechanical applications. The aim of this work is to apply this method to the cardiovascular domain. For this reason the procedure is extended for a new boundary condition, which describes the properties of elastic vessel walls. Hence it is possible to use the method in blood flow simulation with regard to relevant Reynolds numbers, elasticity and the complex branching of the vessels. The proposed methods and boundary conditions have been implemented in Java and a software environment has been created supporting the user with the following tasks: First with data acquisition, where geometrical boundary conditions shall be derived patient specific from magnetic resonance angiography. Further with the setting of arbitrary boundary conditions, particularly with feasible in- and outflow profiles, and finally with the interpretation and visualization of the results. The results can be either exported to Matlab or visualized by direct volume visualization or geometry-based methods.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-13932
http://hdl.handle.net/20.500.12708/10868
Library ID: AC05035445
Organisation: E101 - Institut für Analysis und Scientific Computing 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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