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Validation of Wall Shear Stress Measurements Obtained with Magnetic Resonance Velocimetry

Bauer, Andreas Sebastian (2020):
Validation of Wall Shear Stress Measurements Obtained with Magnetic Resonance Velocimetry.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009030,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Validation of Wall Shear Stress Measurements Obtained with Magnetic Resonance Velocimetry
Language: English
Abstract:

Wall shear stress acting on the vessel walls has been identified as an important factor for the initiation and development of cardiovascular diseases. In vivo measurements of the wall shear stress are usually conducted with Magnetic Resonance Velocimetry (MRV). Due to the limited spatial and temporal resolution, measurements in the near-wall region are challenging and the results are associated with high systematic and stochastic errors. Thus, an ongoing effort towards new post-processing methods to overcome this problem is observed. However, the underlying 'true' values of the wall shear stress are seldom known, inhibiting the evaluation of these methods. The present thesis is devoted to investigate this problem by conducting in vitro MRV measurements under well-known flow conditions and by providing reliable reference values of the wall shear stress. Flow situations have been selected in which wall shear stress values from laser Doppler velocimetry (LDV), analytical solutions, and results from numerical simulations are available as a reference. The in vitro experiments are performed in various flows with a step-by-step increase of the complexity, ranging from simple steady laminar pipe flows to unsteady transitional flows through complex geometries, representative for the human aorta. Extensive LDV measurements are presented, and the results of the velocity fields and wall shear stresses are compared to the MRV measurements. This thesis discusses possible systematic and random sources of errors in both measurement techniques. Additionally, it provides helpful advice for the practical measurement of the wall shear stress with LDV. In the course of this work a database has been established, which contains the MRV data as well as the corresponding reference wall shear stress values acquired under the well-known and controlled flow conditions. This database has been used by other research groups in a collaborative interdisciplinary project, which has the final goal of improving the estimation of the wall shear stress from MRV data.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Für die Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen wurde die Wandschubspannung auf Gefäßwände als wichtige Größe identifiziert. In vivo Messungen der Wandschubspannung werden gewöhnlich mittels Magnetic Resonance Velocimetry (MRV) durchgeführt. Aufgrund einer begrenzten räumlichen und zeitlichen Auflösung sind Messungen in Wandnähe allerdings schwierig, sowie mit hohen systematischen und zufälligen Fehlern verbunden. Daher ist ein Trend zu beobachten, dieses Problem mit einer Nachbearbeitung der Daten lösen zu wollen. Die wahren Werte der zugrunde liegenden Wandschubspannung bleiben in der Regel allerdings unbekannt, was eine Evaluierung neuer Methoden schwierig gestaltet. Die vorliegende Arbeit untersucht dieses Problem, indem in vitro MRV Messungen unter bekannten Strömungsbedingungen durchgeführt werden, sowie zuverlässige Referenzwerte der zugrunde liegenden Wandschubspannung ermittelt werden. Es wurden Strömungen ausgewählt, für welche Referenzwerte aus Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) Messungen, analytischen Lösungen sowie numerischen Berechnungen vorliegen. Die in vitro Experimente werden in verschiedenen Strömungen mit einer schrittweisen Steigerung der Komplexität durchgeführt, beginnend von einfachen stationären laminaren Rohrströmungen, bis hin zu instationären transitionellen Strömungen durch komplexe Geometrien, die repräsentativ für die menschliche Aorta sind. Umfangreiche LDA Messungen werden vorgestellt, deren Ergebnisse bezüglich der Geschwindigkeitsfelder und Wandschubspannungen mit MRV Messungen verglichen werden. Diese Arbeit diskutiert mögliche systematische und zufällige Fehlerquellen beider Messtechniken. Weiterhin werden praktische Hinweise zur Messung der Wandschubspannung mittels LDA gegeben. Im Verlauf dieser Arbeit wurde eine Datenbank aufgebaut, welche die MRV Daten sowie die dazugehörigen Referenzwerte der Wandschubspannung enthält, welche unter den bekannten Strömungsbedingungen gemessen wurden. Diese Datenbank wurde von anderen Forschungsgruppen innerhalb eines interdisziplinären Projekts genutzt, um letztendlich die Bestimmung der Wandschubspannung aus MRV Daten zu verbessern.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA) > Dynamics of drops and sprays > MRV
Date Deposited: 14 Feb 2020 10:22
Last Modified: 14 Feb 2020 10:22
DOI: 10.25534/tuprints-00009030
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-90309
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and Grundmann, Prof. Dr. Sven
Refereed: 28 January 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9030
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