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Digitales Menschmodell

Die Simulation des menschlichen Körpers gehört zu den größten wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit und verspricht große Fortschritte in Medizin und Medizintechnik. Hierfür verknüpfen wir die Forschung auf verschiedenen Skalen und aus verschiedenen Disziplinen.

Biologische Prozesse verstehen

Von jeher strebten Menschen danach, biologische Prozesse im Menschen zu verstehen und zu beeinflussen, um so Krankheiten zu heilen. Hierzu leisten Simulationstechnologien heute einen wichtigen Beitrag. Um aktuellen Herausforderungen zu begegnen, müssen dabei verschiedene Simulationsmethoden gekoppelt werden. So können dann zum Beispiel Operationen erfolgreich patientenspezifisch geplant werden.

Um diesen und weiteren Aufgabenstellungen zu begegnen, bringen wir unterschiedliche Forschungsdisziplinen zusammen:

  • Naturwissenschaften
  • Ingenieurwissenschaften
  • Systemtheorie

So können wir eine interaktive, gekoppelte, Multi-Physik- und Multi-Skalen-Beschreibung des menschlichen Körpers leisten – von Festkörpersimulationen von Crash-Test-Dummies über die computergestützte Kontinuumsmechanik bis hin zu zellmechanischen und systembiologischen Erwägungen.

Hier erfahren Sie mehr über die fünf Key Ingredients, derer wir uns bedienen, um ein integriertes Menschmodell zu entwickeln.

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Enthüllung des Unsichtbaren

Welche Kräfte wirken auf den Körper? Wie viel Kraft ist nötig, um eine bestimmte Bewegung zu erzeugen? Welche Belastungen resultierenden daraus? Welches Schadenspotential ist vorhanden? Unglücklicherweise können die meisten physikalischen Größen, die notwendig sind, um diese Fragen zu beantworten, nicht direkt an einem lebenden Organismus oder Lebewesen gemessen werden. In der rechnergestützten Biomechanik beabsichtigen wir, diese Lücke mithilfe von Computermodellen zu schließen.

Etablierte Gebiete kombinieren

Wir nutzen ingenieurtechnische Methoden auf der Grundlage der diskreten Mechanik und der Kontinuumsmechanik und passen diese an biomechanische Bedürfnisse an.

 

Forschungsfelder B, D, F

Prognosen möglich machen

Die klassische Biologie war und ist sehr erfolgreich dabei, die Komponenten lebender Organismen zu bestimmen und deren Interaktionsmechanismen aufzuzeigen. Die Systembiologie liefert heute Erkenntnisse, die darüber hinausgehen. Sie ermöglicht Prognosen. Dazu nutzt sie dynamische mathematische Modelle und beschreibt so biologische Netzwerke – auf einzelnen Skalen und auch über viele Skalen hinweg. Für numerische Simulationen und rechnerische Analysen dieser Modelle entwickeln wir neue simulationstechnische Methoden.

Die zelluläre Dynamik simulieren

Um die Dynamik physiologischer Prozesse in lebenden Organismen zu untersuchen, implementieren und simulieren wir mehrskalige Modelle. Diese beschreiben die Biochemie und die zelluläre Populationsdynamik auf Skalen von der molekularen Dynamik bis hin zum Zusammenspiel von Organen in der Physiologie. Wir betten die Modelle in eine Simulationsumgebung ein, mit deren Hilfe wir physiologische Reaktionen eines Organismus auf externe Einflüsse auf verschiedenen Skalen prognostizieren können.

Das Leben entdecken

Explosionsartig haben sich in den letzten Jahrzenten die Möglichkeiten vermehrt, Messungen mit einzelnen Molekülen, Zellen und dynamischen Prozessen in Organen durchzuführen. Spezialisierte experimentelle Verfahren sollen auf einen Vergleich zwischen Messergebnissen und Simulationsergebnissen für mehrskalige Modelle zugeschnitten sein. Solche Verfahren sind jedoch immer noch schwer durchzuführen und werden selten angewendet.

Simulationen und Realität vergleichen

Deshalb erheben experimentell arbeitende Forscherinnen und Forscher bei uns Messdaten um damit prädiktive Simulationsmodelle zu konstruieren. Sie führen auch Experimente zur Evaluation simulationsbasierter Hypothesen durch.

Computergestützte Gesundheitsfürsorge

In einem futuristischen Szenario der Gesundheitsfürsorge lässt sich mittels eines Körperscanners ein dreidimensionales geometrisches Modell eines Patienten erstellen. Es soll für biomechanische Untersuchungen und dem behandelnden Arzt als Hilfestellung dienen. Basierend auf numerischen Simulationen sollen so Diagnosen oder Behandlungen virtuelle Operationsvorbereitungen oder eine Folgenabschätzung einschließen.

Steter Tropfen höhlt den Stein

Zwar konzentrieren wir uns auf grundlegende Simulationsmethoden, jedoch behalten wir auch die klinische Anwendung im Auge. Zuerst konzentrieren wir uns auf wohldefinierte Anwendungsszenarios. Diese erfordern die Entwicklung von neuen Kopplungsalgorithmen und Modellierungsansätzen. In einer Art Werkzeugkasten stellen wir diese bereit. In einem zweiten Schritt entwickeln wir dann neue Methoden, um die einzelnen Werkezuge im Werkzeugkasten zu koppeln.

 

Forschungsfelder B, C, D, E, F, G