2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16140Gesundheitsprobleme, die in engem Zusammenhang zur Mechanik des Magens stehen, sind insbesondere in Industrieländern von höchster Bedeutung. So leiden beispielsweise 10% - 20% der Bevölkerung in westlichen Ländern an gastroösophagealer Refluxkrankhheit (häufig assoziiert mit Sodbrennen), die aus einem Missverhältnis von Mageninnendruck und Schließdruck des unteren Speiseröhrenmuskels resultiert. Etwa 10% - 45% der Bevölkerung leiden unter Dyspepsie (Verdauungsstörungen), die in vielen Fällen eng mit einer gestörten Motilität des Magens zusammenhängt. Insgesamt sind in Industrieländern die Gesundheitskosten, die in engem Bezug zum Magen und Verdauungstrakt stehen, vergleichbar mit denen von Herzkreislauferkrankungen. Dieser Wichtigkeit des Magens wird derzeit in der Biomechanik nur unzureichend Rechnung getragen. Im Programm des 7. Weltkongresses für Biomechanik im Jahr 2014 etwa ergibt eine Suche nach Fachbegriffen zum Herzkreislaufsystem (cardio, cardiac, vascular, heart, coronary, aneurysm, artery, arteries, arterial, athero/arteriosclerotic) 424 Treffer, eine Suche nach Fachbegriffen zum Magen (stomach, gastric, oesophagus, esophageal, esophagus) nur 3. Dreidimensionale Simulationen von Blutfluss in Arterien wurden bereits um 1990 publiziert, solche für den Speisebrei im Magen erst 2007. Simulationen von Fluid-Struktur-Interaktionen werden seit Mitte der 1990er Jahre für Blutgefäße durchgeführt, für den Magen bislang noch überhaupt nicht. Insgesamt liegt die Forschung in der numerischen Modellierung des Magens verglichen mit Blutgefäßen um etwa 20 Jahre zurück. Dieses Projekt zielt darauf ab, diese wichtige Lücke zu schließen und das erste numerische Multiphysik-Modell des menschlichen Magens zu entwickeln. Dieses Hauptziel soll in vier Schritten erreicht werden: erstens sollen menschliche Magengewebeproben in biaxialen mechanischen Experimenten untersucht werden, um geeignete Konstitutivparameter zu bestimmen; zweitens soll die dynamische Deformation des Magens während der Verdauung mit Hilfe von Magnetresonanztomographie (MRT) aufgezeichnet werden; drittens soll aufbauend auf diesen Daten ein numerisches Modell des menschlichen Magens entwickelt werden, das die mechanischen Eigenschaften der Magenwand, ihre Elektrophysiologie, die Fluidmechanik des Speisebreis im Magen sowie Fluid-Struktur-Interaktionen erfasst; viertens soll dieses numerische Modell für Simulationen genutzt werden, die erstmals ein mechanistisches Verständnis des komplexen Zusammenspiels der verschiedenen physiologischen Prozesse und Parameter im Magen erlauben sollen sowie der Art, wie diese die Verdauung von Nahrung im Magen beeinflussen. So soll das in diesem Projekt entwickelte Modell eine wichtige Basis bilden für zukünftige Forschungsprojekte, in denen der genaue Zusammenhang zwischen der Mechanik des Magens und Gesundheitsproblemen wie Verdauungsstörungen, Refluxkrankheit oder krankhaftem Übergewicht untersucht werden soll.Health problems related to the mechanics of the stomach (gastric mechanics) are among the most important causes of morbidity in industrialized countries. For example, around 10% - 20% of the population in Western countries suffers from gastro-esophageal reflux disease (GERD), which results from a mismatch between the intragastric pressure and the closing pressure of the esophagus. Around 10% - 45% of the general population suffers from dyspepsia, that is, difficult digestion, which is often linked to the motility of the stomach. Altogether, healthcare costs related to the stomach and gastrointestinal tract are roughly comparable to the ones associated with cardiovascular diseases. Interestingly, this tremendous importance of the stomach is not at all reflected by current research efforts. In the program of the 7th World Congress of Biomechanics in 2014 with more than 4000 presentations common cardiovascular keywords (cardio, cardiac, vascular, heart, coronary, aneurysm, artery, arteries, arterial, athero/arteriosclerotic) are found 424 times, keywords related to the stomach (stomach, gastric, oesophagus, esophageal, esophagus) only 3 times. Three-dimensional computational fluid mechanics was first applied to arteries around 1990, to the stomach only in 2007. Computational models incorporating fluid-structure interactions were developed for the vasculature already in the mid-1990s but no such model has been proposed for the stomach so far. In short, computational modeling of the stomach lags around 20 years behind modeling of the cardiovascular system. This project aims at closing this important gap in biomechanical research by developing the first computational multi-physics model of the human stomach. This major objective will be achieved in four steps: first, tissue patches from the human stomach will be harvested in the hospital and subjected to biaxial mechanical testing in order to determine the mechanical constitutive properties of human gastric tissue; second, data about the dynamic deformation of the human stomach during digestion and emptying will be collected by magnetic resonance imaging (MRI); third, on the basis of these mechanical and imaging data, a computational multiphysics model of the human stomach will be developed that incorporates the mechanics and electrophysiology of the gastric wall, the fluid mechanics of the digesta and also fluid-structure interactions; fourth, using this computational model in-silico studies will be performed that will enable for the first time a mechanistic understanding of the complex interplay between the different physiological processes and parameters in the stomach and the way how they affect digestion of food. The computational model developed in this project can be expected to provide a valuable basis for future research projects examining the link between gastric mechanics and disorders and pathologies like dyspepsia, gastro-esophageal reflux disease, or morbid obesity.