Ein Beitrag zur Modellbildung und Simulation Ballondilatation von Atemwegstenosen (PDF)

Diese Dissertation befasst sich mit den mechanischen Vorgängen während der Ballondilatation von Atemwegstenosen.
Die betrachteten Stenosen vom Typ „narbige Striktur“ werden im klinischen Alltag üblicherweise mit dem Instrument Dilatationsballon manuell gedehnt. Falls notwendig, erfolgt eine anschliessende Stentimplantation. Die Auswahl des Stents, inklusive seiner Kennlinie, erfolgt gefühlsmässig oder nach persönlichen Erfahrungen und Präferenzen. Zur Erlangung eines optimalen Behandlungsresultates ist jedoch eine Anpassung an das Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Stenose notwendig. Dieses Verhalten wird während der manuell durchgeführten Ballondilatation nicht ermittelt.
Das Ziel ist es, die Zusammenhänge zwischen dem während der Dilatation gemessenen Druck-Volumen-Verlauf und dem Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Stenose experimentell und theoretisch auf Basis von Modellen zu bestimmen. Dabei wird die Besonderheit berücksichtigt, dass bei der Dehnung der narbigen Striktur der Dilatationsballon durch die Stenose nur teilweise eingeengt wird; er ragt an beiden Enden über den stenosierten Bereich hinaus.
Es werden experimentelle Untersuchungen an Modellstenosen unterschiedlicher Dehnbarkeit und Länge durchgeführt. Wie erwartet, führen härtere Stenosen zu einem steileren Kurvenanstieg während der Dilatationsphase. Demgegenüber zeigt der Vergleich zwischen Stenosen gleicher Dehnbarkeit, aber unterschiedlicher Länge eine zunächst unerwartet grössere Dehnung der kürzeren Stenose bei gleicher Druckzunahme. Ursache ist, dass die Randbereiche der Stenosen einen zeitlichen Dehnungsvorsprung gegenüber den weiter innen liegenden Bereichen erfahren. Für dieses, bei kürzeren Stenosen ausgeprägtere, Verhalten wird der Begriff „Effekt der Randdehnung“ eingeführt.
Die Modellbildung des Dilatationsvorganges basiert zum einen auf Gleichgewichtsbetrachtungen am freigeschnittenen Ballon und zum anderen (als Vergleich) auf dem Prinzip des Minimums der totalen potentiellen Energie. Das System Ballon / Stenose wird in drei Teilbereiche, für die unterschiedliche Bedingungen gelten, aufgeteilt. Die betrachteten Bereiche sind: 1. der proximale- und distale Ballonbereich ausserhalb der Stenose; 2. der Bereich, in dem Ballon und Stenose in Kontakt treten; 3. der Übergangsbereich zwischen 1 und 2.
Numerische Simulationen der Ballondilatation bestätigen die aus den experimentellen Untersuchungen und theoretischen Betrachtungen gewonnenen Erkenntnisse über die Zusammenhänge zwischen Druck-Volumen-Verlauf der Dilatation und Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Stenose.