Opis projektu
Innowacyjny model pomoże w badaniu dynamiki oddechowej płuc
Twórcy finansowanego ze środków UE projektu BREATHE zamierzają opracować pierwszy kompleksowy model obliczeniowy układu oddechowego w oparciu o najnowsze postępy z zakresu wysokowydajnej symulacji. Strategia ta opierać się będzie na nowym modelu nieściśliwego solvera przepływowego umożliwiającym obliczenia eksaskalowe, który zostanie zmodyfikowany na potrzeby modelowania płuc. Uzyskany model pozwoli na zarejestrowanie interakcji tkanek oraz wymiany gazowej. Strefę oddechową reprezentować będą wielofazowe ośrodki poroelastyczne o określonych granicach opłucnej; z kolei sprzężony obieg płucny odzwierciedlać będzie osadzona, zredukowana wymiarowa sieć z dodatkowymi fazami. Jeśli chodzi o dostosowanie modelu do poszczególnych pacjentów i warunków powodowanych przez postępy choroby, badacze osiągną to, wykorzystując nowatorskie podejście: uczenie oparte na prawdopodobieństwie. Opracowany model pozwoli uzyskać informacje na temat dynamicznych procesów zachodzących w ludzkich płucach, cenne zarówno dla naukowców zajmujących się biomedycyną, jak i dla praktyków.
Cel
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.
Dziedzina nauki
- medical and health sciencesclinical medicinepneumology
- medical and health sciencesmedical biotechnology
- medical and health scienceshealth sciencesinfectious diseasesRNA virusescoronaviruses
- natural sciencesbiological sciencesbiophysics
- natural sciencescomputer and information sciencescomputational sciencemultiphysics
Słowa kluczowe
Program(-y)
Temat(-y)
System finansowania
ERC-ADG - Advanced GrantInstytucja przyjmująca
80333 Muenchen
Niemcy