Auf dieser Seite stellen wir einige der Anwendungsbereiche vor, an denen wir bei uns am Institut arbeiten.
Übersicht
Stents
Stents sind medizinische Implantate, die zur strukturellen Unterstützung von verengten oder geschwächten Blutgefäßen eingesetzt werden. Die zunehmende Zuverlässigkeit und Genauigkeit numerischer Modelle ermöglicht die Generierung von sonst nicht verfügbaren Daten, um das Verständnis der Implantate und ihrer Interaktion mit dem Gefäßsystem zu verbessern. Am IMCS arbeiten wir aktiv mit Partnern aus der Wissenschaft und der klinischen Praxis zusammen, um numerische Modelle zu erstellen und zu validieren. Ziel ist es, robuste Simulationen des gesamten Implantationsvorgangs des Stents zu erstellen. Vielversprechende Anwendungsfelder sind in diesem Zusammenhang z.B. die patientenspezifische Modellierung von chirurgischen Eingriffen oder digitale Zwillinge. Die durch die numerische Simulation gewonnenen Erkenntnisse können als Entscheidungshilfe für Mediziner verwendet werden, den Vergleich verschiedener Behandlungsoptionen ermöglichen oder als Inspiration für die Entwicklung neuer Stentdesigns dienen.
Kontakt am IMCS
Kollaborationen
- Lehrstuhl für numerische Mechanik, TU München
- Lehrstuhl für Computergestützte Analyse Technischer Systeme, RWTH Aachen
Schlüsselpublikationen
- Datz, J.C., Steinbrecher, I., Meier, C., Hagmeyer, N., Engel, L.-C., Popp, A., Pfaller, M.R., Schunkert, H., Wall, W.A. (2024): Patient-specific coronary angioplasty simulations - a mixed-dimensional finite element modeling approach, Preprint, submitted for publication, arXiv
Organ-Modellierung
Die computergestützte Modellierung ist ein leistungsfähiges Instrument zur Untersuchung komplexer biologischer Strukturen. Wir nutzen die computergestütze Mechanik, um das Verhalten menschlicher Organe zu simulieren und zu analysieren, z.B. bei zerebralen Aneurysmen und bei der Mechanik des Magens. Durch die Erstellung detaillierter, patientenspezifischer Modelle wollen wir beispielsweise Spannungsverteilungen und strukturelle Schwachstellen in diesen Organen unter verschiedenen physiologischen Bedingungen verstehen. Bei zerebralen Aneurysmen helfen unsere Modelle bei der Vorhersage des Rupturrisikos und tragen so zu einer genaueren Diagnostik und verbesserten Behandlungsplanung bei. Bei der Modellierung des Magens erforschen wir die biomechanischen Prozesse, die bei der Verdauung und dem Nahrungstransport eine Rolle spielen, und geben Aufschluss über Probleme wie Störungen der Magenmotilität. Durch diese Simulationen können wir komplizierte biologische Prozesse zugänglich machen und unser Verständnis der Organfunktionalität verbessern, was letztlich die personalisierte Medizin unterstützt und medizinische Eingriffe absichert. Unsere Forschung überbrückt nicht nur die Kluft zwischen Biologie und Technik, sondern verschiebt auch die Grenzen nicht-invasiver klinischer Lösungen.
Kontakte am IMCS
Kollaborationen
- Lehrstuhl für numerische Mechanik, TU München
- Institut für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie
Schlüsselpublikationen
- Frank, M., Holzberger, F., Horvat, M., Kirschke, J., Mayr, M., Muhr, M., Nebulishvili, N., Popp, A., Schwarting, J., Wohlmuth, B. (2024). Numerical simulation of endovascular treatment options for cerebral aneurysms, GAMM-Mitteilungen, 47:e202370007, DOI (Open Access)
Ingenieurbauwerke
Ein weiterer wichtiger Bereich unserer Forschung sind faserverstärkte Strukturen im Bauwesen. Um die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Fasern (z.B. Bewehrung) und den umgebenden Matrixmaterialien (z.B. Beton) zu erfassen, entwickeln wir numerische Modelle für hochauflösende Simulationen sowie Surrogate-Modelle, unter anderem mit Hilfe von Physik-informiertem maschinellen Lernen. Darüber hinaus untersuchen wir die Formoptimierung von Faserverstärkungen zur Verbesserung der strukturellen Tragfähigkeit von nicht-standardisierten Stahlbetonbauteilen (unter anderem mit Reinforcement Learning als innovative Alternative zur klassischen Formoptimierungsalgorithmen). Herkömmliche Bemessungsmethoden führen oft zu konservativen Entwürfen der Bewehrung und somit zu einer ineffizienten Nutzung von Ressourcen. Durch den Einsatz moderner gemischt-dimensionaler Formulierungen simulieren wir das Verbundverhalten von Stahlbeton und ermöglichen eine detaillierte Formoptimierung von Bewehrungen. Durch die Kombination dieser detaillierten Simulationen mit schnell auswertbaren reduced-order Modellen ebnet unsere Forschung den Weg für hybride digitale Zwillinge größerer Stahlbetonstrukturen, wie z.B. Brücken.