Effiziente und robuste Kopplungsmethoden für elektromechanische Modelle des menschlichen Herzens

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Axel Loewe; Professor Dr. Christian Wieners
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Mathematik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465189069

Herzerkrankungen sind die häufigste Todesursache in Deutschland. Computergestützte Modellierung des Herz-Kreislauf-Systems kann helfen, relevante Mechanismen im Herzen zu verstehen und erfolgreiche Therapien zur Behandlung von Herzkrankheiten zu entwickeln. In den letzten Jahrzehnten wurden wesentliche Fortschritte in der computergestützten Herzmodellierung erzielt. Allerdings sind diese Modelle häufig auf eine einzelne Herzfunktion, wie Elektrophysiologie, Biomechanik, Blutfluss im Herzen oder im Kreislaufsystem beschränkt. Diese einzelnen physikalischen Komponenten bilden wertvolle Forschungswerkzeuge, jedoch ist die Interaktion mehrerer Herzfunktionen nötig, um das volle Potenzial von in silico Methoden zu nutzen. Ziel dieses Projekts ist es, aktuelle Multi-Physik-Simulationen des menschlichen Herzens zu erweitern und auf neue Anwendungen zu übertragen. Dazu werden wir effiziente und robuste Kopplungsverfahren für elektromechanische Modelle des Herzens mit hoher biophysikalischer Präzision entwickeln und analysieren. Unsere Erfahrung in der Modellierung der einzelnen Herzfunktionen sowie unsere aktuelle Arbeit zur Kopplung der elektrischen und mechanischen Funktion verbinden wir nun zu einer umfassenden parallelen Finite-Elemente-Realisierung des vollständig gekoppelten Systems. Als wesentliche Ziele werden wir innerhalb beider Förderungsphasen (1) eine Formulierung für ein robust gekoppeltes Modell des ganzen Herzens, bestehend aus Elektrophysiologie, Herzmechanik und Kreislauffunktion entwickeln; (2) eine effiziente und skalierbare numerische Realisierung dieses Modells und eine umfassende Konvergenzanalyse der Approximationen in Raum und Zeit erstellen; (3) eine benutzerfreundliche Integration des vollständig gekoppelten Modells in die etablierte openCARP-Simulationsumgebung bereitstellen, um so diesem Forschungsinstrument den Weg für den klinischen Einsatz zu ebenen. Die numerische Realisierung des gekoppelten elektro-mechanischen Modells und Einbindung in die openCARP-Umgebung wird eine wertvolle Ergänzung der Forschungswerkzeuge für die Behandlung komplexer kardiovaskulärer Erkrankungen sein. Unsere Initiative zur Schaffung einer Community zusammen mit der Proof-of-Concept-Anwendung in einem medizinisch relevanten Szenario wird die zukünftige klinische Nutzung von in silico Methoden unterstützen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2311: Robuste Kopplung kontinuumsbiomechanischer in silico Modelle für aktive biologische Systeme als Vorstufe klinischer Applikationen - Co-Design von Modellierung, Numerik und Nutzbarkeit