Strö­mung des sauer­stof­fre­ichen Blutes von der Lunge über das Herz und das Gefäßsys­tem zu den Muskeln.

Über den Bronchial­baum und die Alve­olen gelangt der über die Atem­luft in den Kör­per trans­portierte Sauer­stoff schließlich über das Herz, d.h. den drit­ten Abschnitt zum vierten Abschnitt der Kör­per­runde, dem Weg des sauer­stof­fre­ichen Blutes durch die Arte­rien hin zu den Muskeln und Orga­nen. Die Strö­mungs­geschwindigkeiten und Druck­ver­hält­nisse in den arteriellen Bere­ichen das Gefäßsys­tems sind in Bezug auf die angestrebte Darstel­lung der Kör­per­runde von beson­derem Inter­esse, da sich aus ihnen der wesentliche Stoff­trans­port in und durch den Kör­per ableiten lässt. Basierend auf der Atem­fre­quenz, der Schlagfre­quenz des Herzens sowie dem Lun­gen– und dem Herzvol­u­men, kann die aktuelle Ver­sorgung des Kör­pers mit Sauer­stoff und Nährstof­fen dargestellt wer­den. Durch die Vari­a­tion der erwäh­n­ten Para­me­ter kann des Weit­eren die pos­i­tive Wirkung des Aus­dauer­sports auf die Vital­funk­tio­nen ver­an­schaulicht werden.

Am HLRS wer­den num­merische Strö­mungssim­u­la­tio­nen des patienten-​, bzw. proban­den­spez­i­fis­chen arteriellen Gef­fässys­tems mit dem aktuellen Ziel durchge­führt, einen effizien­ten Sim­u­la­tion­sprozess zu entwick­eln, welcher es ermöglicht die Qual­ität der num­merischen Mod­elle so weit zu erhöhen, dass mit deren Hilfe nicht nur prinzip­iell phys­i­ol­o­gisch kor­rekte son­dern auch indi­vidu­elle klin­isch rel­e­vante Aus­sagen über die im patien­ten­spez­i­fis­chen Gefässys­tem herrschen­den Strö­mungsver­hält­nisse möglich werden.

Blut­strö­mung in der Mikrozirkulation

Das Blut fließt vom Herzen zuerst durch die großen Arte­rien, bevor es durch kleinere Blut­ge­fäße in die Mikrozirku­la­tion verteilt wird. Die Mikrozirku­la­tion hat eine verzweigte, baum-​artige Struk­tur und besteht aus den kle­in­sten Blut­ge­fäßen (wie Arte­ri­olen, Kap­il­laren, und Venolen) in unserem Kör­per, die Durchmesser ähn­lich der Größe der Blutzellen haben. Die Blut­strö­mung in der Mikrozirku­la­tion spielt eine wesentliche Rolle bei einer großen Zahl phys­i­ol­o­gis­cher Prozesse und Patholo­gien im Organ­is­mus. Zum Beispiel findet die Liefer­ung von Sauer­stoff und Nahrungsmit­tel zu den Geweben und Orga­nen des Kör­pers in der Mikrozirku­la­tion statt. Sauer­stoff wird von den roten Blutkör­perchen trans­portiert und in den Kap­il­large­fässen freige­setzt. Bei anstren­gen­den Aktiv­itäten, wie Sport, wird durch die höhere Schlagfre­quenz des Herzens die Durch­blu­tung ver­stärkt, was ins­beson­dere zu einer erhöhten Blut­strö­mung in der Mikrozirku­la­tion führt. Um sich an diese Änderun­gen der Blut­strö­mung anzu­passen, kön­nen die Durchmesser von Gefäßen in der Mikrozirku­la­tion teil­weise verklein­ert oder ver­größert wer­den. Um die aus­re­ichende Liefer­ung von Sauer­stoff und Nahrungsmit­tel zu den Geweben unter ver­schiede­nen Kon­di­tio­nen des Blutkreis­laufs vorher­sagen zu kön­nen, ist es deshalb wichtig, die wesentlichen Mech­a­nis­men der Blut­strö­mung in der Mikrozirku­la­tion zu erken­nen, zu ver­ste­hen, und quan­ti­ta­tiv zu modellieren.

Unter­suchun­gen der Mikrozirku­la­tion im leben­den Organ­is­mus (in vivo) sind sehr schwierig, weil detail­lierte in-​vivo Mes­sun­gen oft sehr eingeschränkt oder unmöglich sind. Deshalb entwick­elt sich die in-​silico Mod­el­lierung der Blut­strö­mung – die Mod­el­lierung im Com­puter – derzeit sehr schnell. Die real­is­tis­che Mod­el­lierung der Blut­strö­mung hat ein enormes Poten­tial, die notwendi­gen the­o­retis­chen Werkzeuge zu liefern, um in Zukunft die Mikrozirku­la­tion­sprozesse im gesun­den und kranken Organ­is­mus besser zu ver­ste­hen und damit gezielt zu beeinflussen.

Am Insti­tut für kom­plexe Sys­teme des Forschungszen­trums Jülich wer­den numerische Sim­u­la­tio­nen der Blut­strö­mung in der Mikrozirku­la­tion durchge­führt. Die Mod­el­lierung des Bluts in der Mikrozirku­la­tion ver­langt nicht nur die Darstel­lung der Bewe­gung des Blut­plas­mas, son­dern auch die Beschrei­bung und Mod­el­lierung der Defor­ma­tion und des Strö­mungsver­hal­tens der Blutzellen. Ein Beispiel für die Blut­strö­mung in einer Kap­il­lare ist in den bei­den Videos (die Blut­strö­mung in Kap­il­laren mit Durchmessern von 10 und 20 Mikrom­e­ter) dargestellt, die die Bewe­gung von roten Blutkör­perchen zeigen. Für die Mod­el­lierung solcher Blut­strö­mungen entwick­eln und ver­wen­den wir eine Kom­bi­na­tion von fluid-​dynamischen Sim­u­la­tio­nen und Mod­ellen für elastis­che, deformier­bare Zellen. Als weit­eren Schritt pla­nen wir die Blut­strö­mung in einem Gefäßnet­zw­erk zu untersuchen.