Von biomechanischen Fragestellungen zu einem ganzheitlichen Menschmodell
Das ganzheitliche Verhalten des menschlichen Körpers
Die Entwicklung eines Overall Human Model (OHM) entstand aus dem Wunsch Wechselwirkungen des menschlichen Körpers mit seinem Umfeld vorhersagen zu können. Aufbauend auf dem OHM wird die individuell abgestimmte Gesundheitsfürsorge der Zukunft auf neue Ebenen gehoben. Die Vision des OHM richtet sich damit gleichermaßen an die mechanische Beanspruchung sowie an Umweltfaktoren, welche das elektrochemische und biologische Gleichgewicht des menschlichen Körpers beeinflussen. Ferner sind diese elektrochemischen, biologischen und mechanischen Faktoren gekoppelt und können daher wechselseitig wirken.
Das Modell des menschlichen Körpers – die Anwendung bestimmt den Detailierungsgrad
Die Vision des OHM umfasst und vereinigt einzelne Modelle aus verschiedenen Bereichen der Biomechanik und der Mechanobiologie, indem es physikalische, biologische und elektrochemische Prozesse, die teilweise auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen ablaufen, miteinander verbindet. Aufgrund der rasch steigenden Komplexität dieser gekoppelten Modelle stellt sich die Schlüsselfrage nach dem Detaillierungsgrad, der erforderlich ist, um konkrete medizinische Fragestellungen beantworten zu können. Dementsprechend beinhaltet das OHM neben einer großen Ansammlung an individuellen Computermodellen auch Information über mögliche Kopplungen und leistet wesentliche Hilfestellung zur Erstellung von hochauflösenden Modellen, die auf die speziellen Bedürfnisse angepasst sind.
Key ingredient 1: Rechnergestützte Biomechanik
- Eine Auswahl an laufenden Projekten im
weiten Bereich der Biomechanik
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/Lebewesen gemessen werden. Mit der rechnergestützten Biomechanik beabsichtigt man, diese Lücke mithilfe von Computermodellen zu schließen.
Kombination von etablierten Gebieten
SimTech-Wissenschaftler nutzen ingenieurtechnische Methoden auf der Grundlage der diskreten Mechanik und der Kontinuumsmechanik und passen diese an biomechanische Bedürfnisse an.
Key ingredient 2: Signalübertragung in Zellen
- Biologische Signalübertragung vom
Gehirn, über das Rückenmark zu den
motorischen Endplatten eines Muskels
unter Verwendung eines elektro-
physiologischen Zellmodells
Kleine Funktionseinheiten, weitreichender Einfluss
Wie beeinflussen mechanische Belastungen biochemische Prozesse in Zellen und umgekehrt? Wie kann der programmierte Zelltod Hilfe bei der Krebstherapie leisten? Grundlegende Sachverhalte in der Biochemie und der Mechanik sind wohl bekannt, allerdings kann nur eine Kombination dieser helfen, die Wechselwirkung zwischen Molekülen, Zellen und Organen aufzuzeigen.
Alles ist gekoppelt
In SimTech verbinden wir biophysiologische Modelle, die z.B. Prozesse auf der zellulären Ebene beschreiben, mit mechanischen Modellen, z.B. von ganzen Organen, um ein ganzheitliches Verständnis für die Funktionsweise des menschlichen Körpers zu erlangen. Die Beschreibung von Rückkopplungsmechanismen in gekoppelten Modellen sind ein integraler Bestandteil des OHM.
Key ingredient 3: Mehrfeld-/Mehrskalen-Methoden
- Eine Muskelkontraktion wird
ausgelöst durch ein
Nervensignal.
Kopplung verschiedener Skalen und Physiken
Ein menschlicher Körper enthält zwölf Organe, die aus vier unterschiedlichen Gewebetypen aufgebaut sind, die wiederum aus über 300 Zelltypen und mehr als 100.000 Proteinen bestehen. Darüber hinaus spielen Körperflüssigkeiten eine zentrale Rolle beim Transport von Nervensignalen, Nährstoffen oder anderen Stoffwechselprodukten. Eine solche Zusammensetzung schließt naturgemäß elektrochemische, biologische und mechanische Phänomene, die auf mehreren Zeit- und Längenskalen miteinander verbunden sind, mit ein.
Eine allumfassende Lösung wird es nicht geben
SimTech arbeitet im Bereich der Grundlagenforschung, um Methoden zu entwickeln, die diese Kopplungen erfassen können. Derzeit ist es unmöglich einen allumfassenden Algorithmus zu finden, der die Beschreibung der vielen verschiedenen Mechanismen der Mehrfeld- und Multiskalenphysik in einem komplexen Organismus wie dem Menschen erlaubt.
Key ingredient 4: Numerische Methoden
- Eine räumliche Diskretisierung mittels
eines Finite-Elemente-Netzes, eine
typische schwache Form einer partiellen
Differentialgleichung und eine
Lagrangesche Differentialgleichung.
Die Mathematik muss gelöst werden
Die Modellierung von komplexen Mehrskalen und Mehrfeldproblemen in der Biomechanik führt zu gekoppelten Systemen von partiellen und gewöhnlichen Differentialgleichungen. Diese müssen mit speziellen numerischen Näherungsverfahren gelöst werden. Modellreduktionstechniken bieten einen interessanten Ansatz, um Simulationen zu beschleunigen. Somit können rechenintensive Simulationen, die sich über mehrere Zeit- und Längenskalen erstrecken, durchgeführt werden.
Die Möglichkeiten umsetzen
Innerhalb von SimTech entwickeln wir numerische Lösungsverfahren und Kopplungsstrategien, die es ermöglichen die Genauigkeit der Simulationsergebnisse zu erhöhen, bei gleichzeitiger Minimierung des Rechenaufwands. Detaillierte Simulationen werden auf kleinen Sklalen ausgeführt, um bessere Einblicke in komplexe Mechanismen zu bekommen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dann verwendet, um die entsprechenenden Informationen zu extrahieren und effizient als Eingangsgrößen für großskalige Simulationen bereit zu stellen.
Key ingredient 5: Biomedizinische Anwendung
- Der Körper eines Patienten wird
eingescannt und die erstellten Bilddaten
werden für computergestützte Diagnosen
bereitgestellt.
Computergestützte Gesundheitsfürsorge
In einem futuristischen Szenario der Gesundheitsfürsorge wird ein dreidimensionales geometrisches Modell eines Patienten für biomechanische Untersuchungen durch die Nutzung eines Körperscanners erstellt. Basierend auf durchgeführten numerischen Simulationen wird dem behandelnden Arzt eine Hilfestellung geboten. Zum Beispiel können Diagnosen oder Behandlungen virtuelle Operationsvorbereitungen oder eine Folgenabschätzung von probandenspezifischen Implantaten umfassen.
Steter Tropfen höhlt den Stein
SimTech konzentriert sich auf grundlegende Simulationsmethoden, behält aber auch klinische Anwendungen im Auge. Zuerst konzentrieren wir uns auf wohldefinierte Anwendungsszenarios, die die Entwicklung von neuen Kopplungsalgorithmen und Modellierungsansätzen erfordert. Diese werden als erste Komponenten in Modelldepot bereit gestellt. Eine Auswahl an Szenarien wird im Demonstrator präsentiert. In einem zweiten Schritt werden neue Methodiken entwickelt, um Komponenten des Modeldepots zu koppeln.
(Forschungsfelder B, C, D, E, F, G)
Demonstrator: Overall human model
Aufbauend auf der Idee eines Modelldepots, versteht sich das OHM als Werkzeugkasten, der aus einzelnen Computermodellen besteht, die multi-physikalische Phänomene auf verschiedenen Skalen, wie z.B. der Zell- oder Organebene, beschreiben. Unter Ausnutzung von Workflow Technologien können einzelne Komponenten zu einem gekoppelten Modell ausgewählter Organe oder des gesamten menschlichen Körpers verbunden werden. In diesem Rahmen wird der Demonstrator des OHM exemplarisch für drei Anwendungen präsentiert, die jeweils eigens aus dem Werkzeugkasten konstruiert werden:
- Belastungen auf die Bandscheiben der Lendenwirbelsäule,
- Auf- und Umbauprozesse in Knochen,
- Verteilung von Medikamenten in der Lunge bei der Krebstherapie.
Direkt zum Demonstrator der Vision "Menschmodell"
Beiträge zur Vision "Menschmodell"