Experimente, Modellierung und Computersimulationen zur Charakterisierung des porösen und viskosen Verhaltens von menschlichem Gehirngewebe

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Silvia Budday; Professor Dr.-Ing. Paul Steinmann
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439733602

Die computergestützte Modellierung der Biomechanik von Gehirngewebe bietet völlig neue Perspektiven, um Mechanismen, die Hirnerkrankungen zugrunde liegen, zu verstehen aber auch vorherzusagen. Diese gehen weit über die Möglichkeiten herkömmlicher Methoden hinaus. Die Verbesserung gebräuchlicher Diagnose- und Behandlungsmethoden durch numerische Simulationen ist jedoch nur mithilfe biomechanischer Modelle möglich, die das Verhalten von Gehirngewebe unter Belastung zuverlässig vorhersagen. Die Entwicklung solcher Modelle erfordert umfangreiche experimentelle Untersuchungen, die sowohl das mechanische Verhalten des Gewebes als auch dessen Korrelation mit der zugrunde liegenden Mikrostruktur quantifizieren. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, ein zweiphasiges Modell für die biomechanische Antwort von Gehirngewebe zu entwickeln und die hierfür notwendigen umfassenden experimentellen Untersuchungen durchzuführen. Das Arbeitsprogramm gliedert sich in die folgenden vier Arbeitspakete: (1) Zunächst wird ein Versuchsaufbau entwickelt, der es ermöglicht, die porösen und viskosen Eigenschaften von Gehirngewebe unter verschiedenen Belastungsmoden zu bestimmen. Die sehr wenigen Studien, die hierzu in der Literatur zu finden sind, beschränken sich auf einen einzigen Belastungsmodus. Allerdings bedarf die exakte Identifikation von Modellparametern die gleichzeitige Betrachtung unterschiedlicher Belastungsbedingungen. (2) Anschließend wird die Korrelation zwischen der makroskopischen Gewebeantwort und der zugrunde liegenden Mikrostruktur untersucht, um poröse bzw. viskose Effekte auf die entsprechenden mikrostrukturellen Komponenten zurückzuführen. Dies erlaubt idealerweise die Identifikation geeigneter struktureller Parameter, die bei der Modellentwicklung berücksichtigt werden können. (3) Anhand der experimentellen und mikrostrukturellen Erkenntnisse wird ein poro-viskoelastisches Modell entwickelt, das die individuellen Effekte der Fluid- und der Festkörperkomponente des Gewebes sowie deren Interaktion präzise abbildet. Das Modell wird mithilfe der Finite- Elemente-Methode diskretisiert. (4) Es folgt die Kalibrierung der Materialparameter mithilfe eines inversen Identifikationsalgorithmus und die Interpretation der Ergebnisse im Hinblick auf deren physikalische Bedeutung. Schließlich wird dieses Projekt wesentlich zum besseren Verständnis der Mechanik von Gehirngewebe beitragen, welches sich aus dem komplexen Zusammenspiel zwischen porösen und viskosen Effekten ergibt. Durch die Kombination experimenteller, mikrostruktureller undcomputergestützter Untersuchungen, wird der Zusammenhang zwischen mechanischer Gewebeantwort und Mikrostruktur geklärt.Letztendlich kann das sorgfältig kalibrierte Modell auf klinisch relevante Fragestellungen angewandt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Gerhard A. Holzapfel