SPP 2311:  Robuste Kopplung kontinuumsbiomechanischer in silico Modelle für aktive biologische Systeme als Vorstufe klinischer Applikationen - Co-Design von Modellierung, Numerik und Nutzbarkeit

• Fachliche Zuordnung: Bauwesen und Architektur ; Biologie ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Maschinenbau und Produktionstechnik ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Mathematik ; Medizin ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441884911

Dieses Schwerpunktprogramms zieht seine Motivation aus der Tatsache, dass die Medizin das große Potential von in silico (computergestützten) Modellen noch wenig nutzt. Wie in anderen hochtechnologischen Bereichen auch könnte dieses Potential zur beschleunigten Entwicklung von modernen Diagnose- und individualisierten Behandlungsmethoden intensiv genutzt werden. Die meisten existierenden in silico Modelle beschränken sich auf einzelne Skalen (z. B. Zell, Gewebe) oder auf generische Mehrskalenmodelle einzelner Organe (z. B. Muskel, Leber). Um Symptome und Krankheiten zu verstehen, müssen jedoch mehrere Größen- und Zeitskalen im Kontext des gesamten Systems betrachtet werden. Die komplexen skalenübergreifenden Zusammenhänge sind ohne einen systematischen Ansatz und ohne Computermodelle oft nur sehr schwer identifizierbar. Eine zentrale Aufgabe der numerischen Biomechanik und biomedizinischen Forschung ist es daher, robuste Kopplungsmethoden und -strategien zu entwickeln. Diese müssen die Skalen der biologischen Systeme vom Molekül bis zum kompletten Organsystem oder Organismus integrieren.Die hohe Komplexität von biologischen Systemen adäquat, effizient und robust in Modellen abzubilden ist dabei die große Herausforderung. Dies erfordert die enge Zusammenarbeit der Medizin, Ingenieurwissenschaften, numerischen Mathematik (Numerik) und Informatik. Die Beschreibung mehrskaliger Systemmodelle erfordert insbesondere innovative Kopplungsstrategien, in die modernste Computerarchitekturen, neue und robuste numerische Verfahren sowie Datenstrukturen und -integrationsmöglichkeiten einfließen. Zudem müssen die Simulationsergebnisse in gemeinsamer Arbeit mit Medizinern für den Transfer in die Klinik und für Applikation mit klinischen Fragestellungen aufbereitet werden.Mit dem SPP 2311 wird ein interdisziplinärer Verbund geschaffen, der sich auf die Erforschung neuer methodischer Ansätze zur Kopplung mehrerer in silico Modelle fokussiert und dessen physiologischen Funktionen und dreidimensionaler Organisation mit berücksichtigt. Gemeinschaftlich werden Fragestellungen definiert und adressiert, die sich übergreifend aus den Bereichen Kopplung (von in silico Modellen), Numerik (robuste und effiziente Algorithmen) und Nutzbarkeit (Standardisierung und Datenintegration, Validierung und Vorbereitung numerischer Kontinuumsmodelle für klinischen Applikationen) zusammensetzen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: Niederlande

Projekte

• Effiziente und robuste Kopplungsmethoden für elektromechanische Modelle des menschlichen Herzens (Antragsteller Loewe, Axel ;  Wieners, Christian )
• Ein datengetriebenes Optimierungsframework zur Verbesserung des Verständnisses von Anpassungen des neuromuskulären Systems an Gehirnpathologien (Antragstellerinnen / Antragsteller Göddeke, Dominik ;  Röhrle, Ph.D., Oliver ;  Schulte, Miriam )
• Gekoppelte Analyse aktiver biologischer Prozesse zur Regeneration von Meniskusgewebe (Antragstellerinnen / Antragsteller Gresser, Götz T. ;  Seitz, Andreas Martin ;  Simeon, Bernd ;  Surulescu, Christina )
• In-Stent-Restenose in koronaren Arterien - In silico-Untersuchungen basierend auf patientenspezifischen Daten und Metamodellierung (Antragstellerinnen / Antragsteller Behr, Ph.D., Marek ;  Reese, Stefanie ;  Vogt, Felix )
• Mehrskalenmodellierung von Ultraschall-Neuromodulation des menschlichen Gehirns -- vom Neuron zum Gehirn (Antragsteller Keip, Marc-André ;  Ortiz, Ph.D., Michael ;  Sitti, Metin )
• Modellierung der Herzhämodynamik mittels Fluid-Struktur-Kopplung und statistischen Formmodellen (Antragsteller Goubergrits, Leonid ;  Kühne, Titus )
• Modellierung und Simulation der pharmakomechanischen Fluid-Struktur-Interaktion für eine verbesserte Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen (Antragsteller Balzani, Daniel ;  Klawonn, Axel ;  Rheinbach, Oliver )
• Simulationsgestützte Bewertung von Spenderorganen vor Lebertransplantation (SimLivA) - kontinuums-biomechanische Modellierung für die Beurteilung von Ischämie-Reperfusionsschäden (Antragstellerinnen / Antragsteller Dahmen, Uta ;  Ricken, Tim ;  Tautenhahn, Hans-Michael )
• Skalenübergreifende Algorithmen und Simulationsmethoden für die patientenspezifische Optimierung endovaskulärer Eingriffe bei zerebralen Aneurysmen (Antragstellerinnen / Antragsteller Kirschke, Jan Stefan ;  Popp, Alexander ;  Wohlmuth, Barbara )
• Skalenübergreifende Kopplung vaskulärer Hämodynamik zur KI-basierten, standardisierten Evaluation neurologischer Pathologien (Antragstellerinnen / Antragsteller Berg, Ph.D., Philipp ;  Saalfeld, Sylvia )
• Skelettmuskeladaptation: Der Grundbaustein für die Modellierung neuromuskulärer Erkrankungen und die Vorhersage von muskulären Defiziten (Identifikation, Homogenisierung, Verifizierung und Integration) (Antragstellerinnen / Antragsteller Ates, Filiz ;  Röhrle, Ph.D., Oliver )
• Zentrales Koordinierungsprojekt (Antragsteller Röhrle, Ph.D., Oliver )

• Sprecher: Professor Oliver Röhrle, Ph.D.