Koordinierungsprojekt des SPP 2311

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tim Ricken
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 548948363

Dies ist das zentrale Koordinationsprojekt zur Unterstützung der zweiten Förderphase des SPPs 2311 zum Thema "Robuste Kopplung von kontinuumsbiomechanischen In-silico-Modellen zur Erstellung aktiver biologischer Systemmodelle für den späteren Einsatz in klinischen Anwendungen - Co-Design von Modellierung, Numerik und Usability". Die Motivation des SPPs ergibt sich aus der Erkenntnis, dass trotz jüngster Fortschritte in der Biomechanik das Potenzial für medizinische Anwendungen noch nicht voll ausgeschöpft werden konnte. Einer der Gründe dafür sind die noch unzureichend entwickelten Schnittstellen zwischen Modellierung, Numerik und klinischer Anwendung. Hier setzt das SPP mit einem iterativen Co- Design-Ansatz zur biomechanischen Modellentwicklung an. Ziel ist es, nachhaltige Entwicklungskonzepte mit Blueprint-Charakter zu entwickeln. Die Herausforderung ist die hohe Komplexität aktiver biologischer Systeme; daher erfordern Multiskalen-Systemmodelle eine enge Zusammenarbeit zwischen Medizin, Ingenieurwissenschaften, numerischer Mathematik (Numerik) und Informatik. Insbesondere die Beschreibung von multiskaligen Systemmodellen erfordert innovative Kopplungsstrategien, die moderne Computerarchitekturen, neue und robuste numerische Methoden, Datenstrukturen und Integrationsfähigkeiten einbeziehen. Darüber hinaus müssen die Simulationsergebnisse für den Transfer in die Klinik und für die Anwendung auf klinische Fragestellungen in gemeinsamer Arbeit mit Medizinern aufbereitet werden. In der ersten Förderperiode wurden bereits richtungsweisende Erfolge bei der Entwicklung von gekoppelten Multiskalenmodellen mit robusten Kopplungsmethoden und -strategien erzielt. Beispiele sind ganzheitliche in silico-Modelle für den Skelettmuskel, das Herz und die Leber. Die Anbindung an die Numerik und die Nutzbarkeit bleibt jedoch eine Herausforderung. Welche Daten zur Parametrisierung und Individualisierung stehen beispielsweise in der klinischen Praxis zur Verfügung, welche numerischen Lösungsalgorithmen sind stabil und effizient genug, um von klinischen Anwendern akzeptiert und fehlerfrei eingesetzt zu werden, oder wie können die bereits entwickelten Methoden auf andere Anwendungsszenarien übertragen werden? Fragen wie diese sollen in der zweiten Förderperiode beantwortet werden. Der Fokus dieses Schwerpunktprogramms liegt auf der Modellierung aktiver biologischer Systeme im menschlichen Organismus, die klinische Integration und die Definition der Schnittstellen zwischen Modell und klinischer Anwendung; der Transfer der Modelle in die Klinik über klinische Studien ist jedoch nicht das Ziel des SPPs. Das Programm wird sich insbesondere auf Kopplungsstrategien für "aktive" biologische Systeme konzentrieren. Die Definition von "aktiv" bezieht sich auf Systeme, die aufgrund physikalischer, chemischer und/oder biologischer Phänomene oder Stimuli eine Zustandsänderung erfahren. Beispiele hierfür sind Stoffwechselprozesse, Wachstum/Umbau oder elektrische Stimulation.

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