2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15721Das noch junge Gebiet der Mechanobiologie, das die Auswirkung mechanischer Reize auf physiologische Prozesse sowohl auf Zell- als auch Gewebeebene erforscht, hat in den vergangenen beiden Jahrzehnten rasch an Bedeutung gewonnen. Ein wichtiges Anwendungsfeld dieser Disziplin sind Wachstum- und Umbildung biologischen Gewebes insbesondere in Blutgefäßen. Diese spielen nicht nur in heranwachsenden Organismen eine Rolle, sondern beispielsweise auch in Aneurysmen, krankhaften lokalen Gefäßaufweitungen, die in vielen Fällen beständig wachsen und schließlich zur Ruptur der Gefäßwand und damit oft auch zum Tod des Patienten führen. Bislang wird das Rupturrisiko von Aneurysmen vor allem aufgrund ihres Durchmessers bzw. der mechanischen Spannung in ihren Wänden abgeschätzt, während zukünftige Wachstumsprozesse trotz ihrer offensichtlich hohen Relevanz nahezu vollständig vernachlässigt werden. Ein wesentlicher Grund dafür ist sicherlich die immer noch stark eingeschränkte Genauigkeit der im Verlauf des letzten Jahrzehnts entwickelten Modelle für die quantitative Vorhersage von Wachstum und Umbildung in Blutgefäßen.Das vorliegende Forschungsprojekt verfolgt daher im Wesentlichen vier Ziele:Erstens sollen deutlich verbesserte quantitative Modelle für Wachstums- und Umbildungsprozesse in Blutgefäßen entwickelt werden, indem die bestehenden Modelle auf eine mathematisch stringentere Grundlage gestellt und gleichzeitig so erweitert werden, dass sie die Wachstum und Umbildung zugrundeliegenden wesentlichen mikroskopischen Prozesse ausreichend präzise erfassen können.Zweitens sollen basierend auf den so gewonnenen verbesserten Modellen Computersimulationen mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente durchgeführt werden, um verschiedene zur Zeit noch unzureichend verstandene Phänomene bei Bildung und Wachstum von Aneurysmen zu untersuchen, etwa das bevorzugte Wachstum sackförmiger Hirnaneurysmen hinter Verzweigungspunkten im Gefäßsystem.Drittens sollen Risikoindizes für Aneurysmen entwickelt werden, die eine Diagnose nicht mehr nur fast ausschließlich aufgrund von Durchmesser oder Wandspannung ermöglichen, sondern aufgrund mathematisch fundierter Modellierung und Simulation zukünftiger Wachstums- und Umbildungsprozesse.Viertens soll eine neue Klasse computergestützter Diagnosemethoden für Aneurysmen entwickelt werden, die patientenspezifische physiologische Faktoren (auch jenseits der Aneurysmengeometrie selbst) so präzise wie möglich berücksichtigen und Diagnosen nicht nur auf Basis einfacher Risikoindizes treffen, sondern mit Hilfe komplexer durch maschinelles Lernen optimierter Entscheidungsalgorithmen.Allgemein soll das Forschungsprojekt so dazu beitragen, die Prinzipien und Methoden der technischen Mechanik, einer bislang vor allem in Maschinenbau und Bauingenieurwesen eingesetzten Disziplin, so zu erweitern, dass zunehmend auch das Verhalten biologischer Systeme verstanden und zuverlässig vorhersagt werden kann.The emerging field of mechanobiology, which examines the effect of mechanical stimuli on physiological processes on both cellular and tissue scale, has attracted rapidly increasing attention during the last two decades. An important application of this discipline is growth and remodeling of biological tissue especially in the vasculature. These play an important role not only during adolescence, but for example also in aneurysms, pathological local dilations of blood vessels, which often keep growing and finally rupture causing significant morbidity and mortality. So far the rupture risk of aneurysms is mainly estimated based on their diameter or the mechanical stresses in their walls, while future growth and remodeling is largely neglected despite its obviously high relevance. An important reason for this is certainly the still fairly limited accuracy of quantitative models developed in this field during the last decade.This research project thus pursues four main goals:First, significantly enhanced quantitative models for growth and remodeling in the vasculature will be developed by a sufficiently precise incorporation of the most important underlying microscopic processes and the derivation of a mathematically more rigorous foundation.Second, computer simulations based on these enhanced models will be conducted by means of the finite element method in order to examine so far only poorly understood phenomena in the growth of aneurysms such as the frequent occurrence of intracranial saccular aneurysms behind bifurcation points in the vasculature.Third, risk indices for aneurysms will be developed which allow for a diagnosis no longer almost exclusively on the basis of their diameter or wall stress, but rather based on mathematically well-founded models of their future growth and remodeling.Fourth, a new class of computer aided diagnosis methods for aneurysms will be developed which incorporate patient-specific physiological factors (beyond just the vessel geometry) as precisely as possible and utilize not only simple scalar risk indices, but rather complex decision making algorithms trained by machine learning.Generally, this research project is intended to contribute to the extension of the principles and methods of engineering mechanics - a discipline which is so far mainly employed in mechanical and civil engineering - in such a way that also the behavior of biological systems can be increasingly well understood and predicted.