Körper des Menschen wird mathematisch modelliert
Man nutzt in zunehmendem Maße rechnergestützte Verfahren dazu, komplexe biologische Systeme nachzuvollziehen, indem man segmentierte medizinischen Daten über Gefäße und Atemwege in robuste, simulationsfähige Modelle umwandelt. Diese mathematischen Modelle versprechen wertvolle Erkenntnisse, das man sich den Problemen auf eine andere Weise annähert. Um die menschliche Physiologie genauer zu modellieren, sind jedoch Multiskalensimulationen erforderlich. So entwickelten EU-finanzierte Forscher kürzlich integrierte Modelle, welche unter Einsatz einer breiten Palette von Ressourcen – von Clustern bis hin zu Hochleistungsrechnern – die Simulation von Fluidströmungsproblemen ermöglichen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts MATCOMPHYS (Mathematical models and high performance computing for deposition and absorption in physiological flows) entwickelten die Forscher numerische Werkzeuge, welche die Strömung der eingeatmeten Luft durch die Atemwege bis zum Erreichen der Lunge und die Mikrozirkulation des Bluts simulieren. Im Einzelnen konstruierten die Forscher auf Grundlage echter medizinischer Scan-Daten ein dreidimensionales Modell der Atemwege. Anhand dieses umfassenden und detailreichen Modells wurden auf zwei der größten Supercomputer in Europa, FERMI in Italien und MareNostrum in Spanien, großmaßstäbliche Simulationen durchgeführt. Dank der hohen Auflösung des Modells konnten komplizierte Details der Strömung der eingeatmeten Luft durch die oberen und unteren Atemwege offenbart werden. Die Strömung durch die Nasengänge blieb eingeengt. Als die Luft die Kehle erreichte, nahm die Geschwindigkeit zu und die Strömung wurde turbulent. Außerdem wurden numerische Simulationen durchgeführt, um den Blutfluss durch das komplexe Netz an sich verzweigenden Gefäßen mit einer Länge von einigen Mikrometern zu untersuchen, durch die Nährstoffe, Sauerstoff und Zellen durch den ganzen Körper befördert werden. Resultat war die Offenbarung der komplizierten Bewegung der Blutzellen, wie sie miteinander kollidieren und so den Transportprozess beeinflussen. Die Anwendung der Fluiddynamik – wie auch jeder anderen technischen Disziplin – in der Medizin ist noch relativ neu. Die Forschung des MATCOMPHYS-Projektteams an der Schnittstelle von Technik, Biologie und Medizin demonstriert die Bedeutung der interdisziplinären Arbeit. So gibt es noch viel mehr, was die Technik beizutragen hat, damit wir lernen, wie der menschliche Körper funktioniert.
Schlüsselbegriffe
Körper des Menschen, menschlicher Körper, Atemwege, mathematische Modelle, MATCOMPHYS, Mikrozirkulation