Simulations and experiments of the balloon dilatation of airway stenoses / Simulationen und Experimente zur Ballondilatation von Atemwegstenosen
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Martin Venhaus
Abstract
This article investigates the mechanics of balloon dilatation in the treatment of bronchotracheal stenosis. The “scar stricture”-type stenosis examined in this paper is typically dilated manually, using a dilatation balloon. If indicated, this is followed by stent implantation. The selection of the stent with proper characteristics is performed empirically, based on personal experience and preference. In order to optimize the therapeutic outcome, however, it is necessary to match the stent with the stress-strain properties of the stenosis, which are not determined during manual balloon dilatation. The objective is to utilize models to experimentally and theoretically establish the correlation between the pressure/volume curve measured during the dilatation and the stress-strain properties of the stenosis, taking into account that during dilatation of scar strictures the balloon is only partially compressed, as it extends beyond both ends of the stenosis. Experiments are carried out using stenosis models with various extensibilities and lengths. As expected, more hardened stenosis resulted in steeper pressure/volume curves during the dilatation. On the other hand, the comparison between stenosis of equal extensibilities, but different length, showed an initially unexpected larger distension of the shorter stenosis, at equal pressure increases. This is caused by the fact that the margins of the stenosis are allowed more time to distend, compared to the central areas of the stenosis. The term “effect of margin expansion” was introduced to describe this behavior. The modeling of the dilatation process is based on the equilibrium conditions of cut-free balloon portions. The balloon/stenosis system is divided into three areas with different characteristics: (1) the proximal and distal area of the balloon outside the stenosis; (2) the area of contact between the balloon and the stenosis; and (3) the transition area between (1) and (2). Numerical simulations of the balloon dilatation confirm the conclusions from the experimental results and the theoretical considerations regarding the correlation between the pressure/volume curve of the dilatation and the stress-strain properties of the stenosis.
Zusammenfassung
Dieser Artikel 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 dieser Studie ist, 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 auf Gleichgewichtsbetrachtungen am freigeschnittenen Ballon. 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.
©2009 by Walter de Gruyter Berlin New York
Artikel in diesem Heft
- Editorial note
- Welcoming address to the participants of the World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering (Munich, Germany, September 7–12, 2009)
- Research articles
- Investigation of ventricular cerebrospinal fluid flow phase differences between the foramina of Monro and the aqueduct of Sylvius / Phasendifferenzen zwischen den Liquorströmungen im Aquädukt und in den Foramina Monro
- Non-invasive determination of instantaneous brachial blood flow using the oscillometric method
- Direct measurement of myocardial oxygen tension and high energy phosphate content under varying ventilatory conditions in rabbits / Messung von myokardialem Sauerstoffpartialdruck und energiereichen Phosphaten unter verschiedenen Beatmungsbedingungen beim Kaninchen
- Simulations and experiments of the balloon dilatation of airway stenoses / Simulationen und Experimente zur Ballondilatation von Atemwegstenosen
- Sympatho-vagale Balance und kardiale Reaktionen bei standardisierten psychomentalen Belastungen / Sympatho-vagal balance and cardiac response to mental challenge
- Analysis of colour stability of selected provisional prosthetic materials: an in vitro study
- Der Einfluss der Makro- und Mikrostruktur auf die Benetzungs- und Retentionseigenschaften von Wurzelkanalstiften in vitro / The influence of macro- and microstructure on the surface wettability and retention properties of endodontic posts in vitro
- Pharmakafreisetzende biodegradierbare Polymerbeschichtung von dentalen Titanimplantaten zur Verbesserung der Weichgewebsintegration / Drug release of coated dental implant neck region to improve tissue integration
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