Gekoppelte Analyse der Fluid-Struktur-Interaktion eines mikromechanischen Ventils für Glaukomdrainageimplantate

Zusammenfassung

Hintergrund: Das Glaukom stellt weltweit die häufigste irreversible Erblindungsursache dar. Im Falle therapierefraktärer Glaukome kommen vermehrt alloplastische Glaukomdrainageimplantate (GDI) zur Senkung des Intraokulardrucks zur Anwendung. Neben der fibrosebedingten Abkapselung der Implantate stellt die postoperative Hypotonie eine schwerwiegende Komplikation dar. In Vorarbeiten wurde ein Glaukomstent zur kontrollierten Kammerwasserdrainage aus der Vorderkammer des Auges in den Suprachoroidalraum entwickelt. Ein Fokus lag dabei auf der Konstruktion eines in die Vorderkammer verlagerten mikromechanischen Ventils zur Inhibition der postoperativen Hypotonie. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgt die wechselseitig gekoppelte fluid-/strukturmechanische Simulation (FSI) als Grundlage für zukünftige Ventildesigninnovationen. Material und Methoden: Die FSI-Analyse erfolgt mithilfe der Software ANSYS 14.5. Festkörper- bzw. Fluidgeometrie werden in einem Modell kombiniert und mit entsprechenden Materialeigenschaften für Silikon (Silastic Rx-50) bzw. Wasser bei Raumtemperatur versehen. Die Vernetzung des Festkörpers bzw. des Fluids erfolgt entsprechend der Ergebnisse einer durchgeführten Konvergenzstudie mit Tetraederelementen. Struktur- und fluidmechanische Randbedingungen komplettieren das Modell. Die FSI-Analyse erfolgt unter Berücksichtigung geometrischer Nichtlinearität und einer automatischen Anpassung des Rechennetzes an die sich verändernde Geometrie. Ergebnisse: Der mittels FSI-Analyse ermittelte Ventilöffnungsdruck beträgt 3,26 mmHg und stimmt gut mit Ergebnissen experimenteller strömungsmechanischer Untersuchungen aus Vorarbeiten überein. Der aus der nicht linearen Druckdifferenz-Volumenstrom-Kennlinie abgeleitete Strömungswiderstand des Ventils beträgt vor bzw. nach Erreichen des Ventilöffnungsdrucks 8,5 × 10⁻³ mmHg/µl · min⁻¹ bzw. 2,7 × 10⁻³ mmHg/µl · min⁻¹. Die FSI-Analyse zeigt bereits vor Öffnen des Ventils einen Leckvolumenstrom, der auf die vereinfachte Modellgeometrie zurückzuführen ist. Schlussfolgerungen: Die vorgestellte wechselseitig gekoppelte FSI-Analyse stellt ein leistungsfähiges Werkzeug für die Designentwicklung mikromechanischer Ventile für GDI dar und ermöglicht potenziell die Minimierung der zeit- und kostenintensiven Prototypenfertigung und -prüfung. Eine zukünftige Optimierung des FSI-Modells wird eine weitere Annäherung der Simulationsergebnisse an die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen ermöglichen.

Abstract

Background: Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. In therapeutically refractory cases, alloplastic glaucoma drainage devices (GDD) are being increasingly used to decrease intraocular pressure. Current devices are mainly limited by fibrotic encapsulation and postoperative hypotension. Preliminary studies have described the development of a glaucoma microstent to control aqueous humour drainage from the anterior chamber into the suprachoroidal space. One focus of these studies was on the design of a micro-mechanical valve placed in the anterior chamber to inhibit postoperative hypotension. The present report describes the coupled analysis of fluid-structure interaction (FSI) as basis for future improvements in the design micro-mechanical valves. Materials and Methods: FSI analysis was carried out with ANSYS 14.5 software. Solid and fluid geometry were combined in a model, and the corresponding material properties of silicone (Silastic Rx-50) and water at room temperature were assigned. The meshing of the solid and fluid domains was carried out in accordance with the results of a convergence study with tetrahedron elements. Structural and fluid mechanical boundary conditions completed the model. The FSI analysis takes into account geometric non-linearity and adaptive remeshing to consider changing geometry. Results: A valve opening pressure of 3.26 mmHg was derived from the FSI analysis and correlates well with the results of preliminary experimental fluid mechanical studies. Flow resistance was calculated from non-linear pressure-flow characteristics as 8.5 × 10⁻³ mmHg/µl · min⁻¹ and 2.7 × 10⁻³ mmHg/µl · min⁻¹, respectively before and after valve opening pressure is exceeded. FSI analysis indicated leakage flow before valve opening, which is due to the simplified model geometry. Conclusions: The presented bidirectional coupled FSI analysis is a powerful tool for the development of new designs of micro-mechanical valves for GDD and may help to minimise the time and cost expended on manufacturing and testing prototypes. Further optimisation of the FSI model is expected to ensure further convergence between the simulation and the results of experimental investigations.

Schlüsselwörter

Glaukomdrainageimplantat - Mikroventil - numerische Simulation - Fluid-Struktur-Interaktion

Key words

glaucoma drainage device - microvalve - numerical simulation - fluid-structure interaction

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