P7 - Modellierung der Funktions-Perfusion-Deformations-Interaktion auf Leber-Lobulus- und Zell-Skala basierend auf einem zweiskaligen kontinuumsmechanischen FEM-Modell

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tim Ricken
• Fachliche Zuordnung: Allgemein- und Viszeralchirurgie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436883643

Das Projekt ist Teil der Forschungsgruppe "Quantifizierung der Leberperfusions-Funktionsbeziehung bei komplexer Resektion - Ein systemmedizinischer Ansatz" (QuaLiPerF). Innerhalb dieser Forschungsgruppe sollen mit diesem Projekt die mechanisch und biologisch gekoppelten Perfusions-Funktions-Prozesse auf der Lobularebene numerisch simuliert werden. Die Leberläppchenebene ist die Verbindung zwischen der nächstgrößeren (Organgefäßsystem) und der nächstkleineren (Zellsystem) Ebene. Dies erlaubt die Simulation von zwei- und dreidimensionalen (2D/3D) Leberläppchengruppen (bis zu 20). Wir werden die Veränderungen in der Blutperfusion während der Fettansammlung untersuchen und die vorübergehende räumliche Verteilung der Fettansammlung im Leberläppchen berechnen. Das Modell wird Informationen über Perfusionsänderungen liefern, die durch Fettansammlung über die Pfortaderligatur (PVL) und Leberresektionen ((e)PHx) induziert werden. Wir werden das Modell erweitern, um Gewebewachstum und Strukturumbau während der Leberregeneration zu simulieren. Dabei wird ein zeitabhängiger Reorientierungsansatz der Sinusoide berücksichtigt. Die Deformations-, Strömungs- und Transportprozesse werden über ein System gekoppelter partieller Differentialgleichungen (PDE) abgebildet, während die metabolischen Prozesse und Fettansammlung mit einem systembiologischen Ansatz über ein System gewöhnlicher Differentialgleichungen beschrieben werden (PDE-ODE Kopplung). Das hochaufgelöste, hyperelastische und poröse Lobularmodell wird im Rahmen eines thermodynamisch konsistenten kontinuumsmechanischen Mehrphasen- und Mehrskalenansatzes entwickelt und verifiziert. Der Ansatz basiert dabei auf den ersten Prinzipien der Mechanik auf Grundlage der erweiterten Theorie der porösen Medien (eTPM). Darüber hinaus wird das Lobularmodell über gekoppelte Randwerte mit dem Makrogefäßsystem auf der Organebene verbunden. Die Variationen der Blutperfusion und Heterogenität in den Leberläppchen werden während der Fettansammlung, nach PVL, nach (e)PHx und während der Regeneration auf das Organ-Mehrskalenmodell übertragen. Wir werden die Rechengeschwindigkeit und Effizienz durch Ansätze zur Modellreduktion erhöhen. Methoden dafür sind die diskrete empirische Interpolationsmethode (DEIM), die „proper orthogonal decomposition“ (POD) oder eine Kombination aus beiden. Künstlichen neuronalen Netzwerken (ANN) sollen als Ersatzmodel die hoch präzisen Mehrphasen- und Mehrskalenmodelle eingesetzt werden.Schließlich werden wir die Grundlage für die langfristige Vision der Forschungseinheit legen, ein klinisch anwendbares 3D-Modellierungs-Computerwerkzeug zu bauen, das eine funktionsbasierte chirurgische Planung und Risikobewertung ermöglicht. Als Machbarkeitsstudie werden wir klinische Daten und Simulationsdaten über ein kommerzielles Programm visualisieren, um eine erste Demonstration der beeinträchtigten Funktion und Perfusion auf Organ- und Lobularebene nach einer vorbestimmten Resektion zu erzeugen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5151: Quantifizierung des Zusammenhanges zwischen Leberperfusion und -funktion bei erweiterter Leberresektion - Ein systemmedizinischer Ansatz (QuaLiPerF)