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Tief durchatmen

Human Airways - Numerische Simulation der menschlichen Atmung.

Mikrometergenaue Strömungs- und Partikelsimulationen können in dreidimensionalen Simulationsergebnissen analysiert werden.
Erkrankungen der Atmungsorgane gehören weltweit zu den häufigsten Todesursachen. Asthma, Lungenentzündungen oder Bronchitis, aber auch Nebenhöhlenentzündungen oder Verengungen der Nase führen zu teilweise lästigen, teilweise gefährlichen Beschwerden. Bei vielen Krankheiten können nur Symptome behandelt werden – die Ursachen sind meist unbekannt. Um die Quelle von Atmungsbeschwerden aufzuspüren und Operationen (OPs) zu planen, werden Messverfahren wie die Rhinomanometrie und bildgebende Verfahren wie die Computertomographie (CT) eingesetzt. Zu einer verlässlichen Quantifizierung des Erfolges von Medikationen oder OPs fehlen jedoch im klinischen Alltag einsetzbare Verfahren.

An den Instituten für Angewandte und Numerische Mathematik (IANM) und Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM) entsteht im Zuge des Projekts Human Airways eine ganzheitliche Simulation der Atmung im gesamten komplexen menschlichen Atmungstrakt. Beginnend bei Nase und Mund, über den Rachenraum, den Kehlkopf und die Luftröhre bis zu den Bronchien und Lungenbläschen führen die Forscher hocheffiziente mikrometergenaue Strömungs- und Partikelsimulationen auf Höchstleistungsrechnern durch.

Verschiedene Arten von Partikelströmungen können für individuelle Patienten- und schematische mehrskalige Parametermodelle errechnet und visualisiert werden. Aus CT-Bildern werden in Kombination mit statistischen Methoden Modelle von Nase und Lunge segmentiert, die als Geometrien für die Simulationen dienen. Die resultierende Partikelverteilung kann zum Beispiel verwendet werden, um Krankheiten wie Lungenkrebs und Risikofaktoren, wie die Belastung durch Feinstaub oder Rauch, frühzeitig zu erkennen oder die Medikamentenverabreichung per Aerosol und den Transport der Wirkstoffe vorherzusagen.

Darüber hinaus ermöglichen sensitivitätsbasierte Ansätze der Form- und Topologieoptimierung, zum Beispiel durch eine Verschiebung und damit optimale Positionierung der Nasenscheidewand, eine präzisere Operationsplanung mit verlässlichen Erfolgsprognosen. Ärzte können die Simulationsergebnisse dreidimensional aus verschiedenen Ansichten analysieren und genauere Erkenntnisse über Engstellen oder geometrische Fehlstellungen erhalten. Grundlage für die komplexen Berechnungen ist das Softwarepaket OpenLB (www.openlb.net), das von Wissenschaftlern des IANM und MVM mitentwickelt wird.

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Ihr Ansprechpartner für dieses Angebot

Frauke Helms, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Innovationsmanagerin, Innovations- und Relationsmanagement (IRM)
Telefon: +49 721 608-26036

E-Mail: frauke.helms@kit.edu

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