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Unlocking vital mysteries in respiratory biomechanics

Projektbeschreibung

Innovatives Modell zur Untersuchung der Atmungsdynamik der Lunge

Das EU-finanzierte Projekt BREATHE zielt auf die Entwicklung des ersten umfassenden rechnergestützten Modells des Atmungssystems ab, das auf jüngsten Fortschritten in der Hochleistungssimulation beruhen soll. Die Strategie wird auf einem aktuellen Modell aufbauen, das imstande ist, inkompressible Flüssigkeitsströme im Exabereich zu lösen und lungenspezifischen Fragen angepasst werden wird. Es wurde in der Lage sein, Gewebeinteraktionen und den Gastransport zu erfassen. Der Atmungsbereich wird durch mehrphasige poroelastische Medien mit spezifischen pleuralen Grenzen dargestellt und der entsprechende Lungenkreislauf wird durch ein eingebettetes reduziertes dimensionales Netzwerk mit zusätzlichen Phasen modelliert. Die Individualisierung des Modells sowie die Anpassung an die Gegebenheiten des Krankheitsfortschritts werden durch einen neuartigen Ansatz des probabilistischen Lernens erreicht. Das entwickelte Modellsystem wird Forschenden und Praktizierenden der Biomedizin Einblicke in die dynamischen Prozesse der menschlichen Lunge verschaffen.

Ziel

While the human lung is undoubtedly an essential organ, and respiratory diseases are leading causes of death and disability in the world, there still exist a lot of mysteries wrt vital processes. The main reason for this is the complete lack of measurement methods or medical imaging techniques that would allow to study dynamic processes in essential parts of a living human lung. While this would be a perfect setup for computational modeling, existing models suffer from severe constraints disabling them to unveil those essential secrets. This project aims to build on a number of most promising recent advances in modeling and high-performance simulation to present the first comprehensive computational model of the respiratory system. For this purpose, it builds upon a recent exascale-ready incompressible flow solver, toughen it up for lung specific challenges and enrich it with multiphysics capabilities to capture tissue interaction and gas transport. Parts of the respiratory zone will be represented by multiphase poroelastic media and novel pleural boundary conditions will be developed. The coupled pulmonary circulation will be included and represented by an embedded reduced dimensional network and additional phases. In order to appropriately individualize the model and also being able to adapt it during disease progression, a novel physics-based probabilistic learning approach will be developed. This will allow to use most of the very diverse and scarce data in clinical settings. Finally, special models will be developed to bridge to the micro scale. The models developed and studied here will provide unprecedented insights for biomedical scientists, and practitioners at the same time, and will help to substantially reduce elaborate animal and multicenter studies. This will be a crucial step in order to establish a shift of paradigm in health care. Novel models/tools developed here will also be very useful in other areas of biomedical engineering and beyond.

Finanzierungsplan

ERC-ADG - Advanced Grant

Gastgebende Einrichtung

TECHNISCHE UNIVERSITAET MUENCHEN
Netto-EU-Beitrag
€ 2 499 160,00
Adresse
Arcisstrasse 21
80333 Muenchen
Deutschland

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Region
Bayern Oberbayern München, Kreisfreie Stadt
Aktivitätstyp
Higher or Secondary Education Establishments
Links
Gesamtkosten
€ 2 499 160,00

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