FWF - poroBRAIN - Poröses und viskoses Verhalten menschlicher Gehirngewebe

Die computergestützte Modellierung in der Biomechanik kann wichtige Einblicke in die zugrundeliegenden Mechanismen von zerebralen Pathologien liefern, die weit über die Möglichkeiten traditioneller Methoden hinausgehen. Die Verbesserung aktueller Präventions- und Behandlungsstrategien durch numerische Simulation kann nur mit einem realistischen biomechanischen Modell für Hirngewebe erreicht werden. Das Verständnis und die Charakterisierung seiner kurz- und langfristigen biomechanischen Reaktion und die Verknüpfung mit der zugrundeliegenden Mikrostruktur ist für die Entwicklung zuverlässiger Modelle unerlässlich. Unser Ziel ist es, die mechanische Antwort von Hirngewebe durch die Entwicklung eines biphasischen konstitutiven Modells zu charakterisieren, das auf einem umfassenden Satz experimenteller Daten basiert. Um dieses Ziel zu erreichen, ist das Arbeitsprogramm in vier spezifische Ziele unterteilt: (1) Wir werden neue Versuchsaufbauten entwickeln, um die visko-poröse Natur des Hirngewebes unter beliebigen Belastungsbedingungen adäquat zu charakterisieren. Es gibt nur sehr wenige veröffentlichte Studien zur Charakterisierung der porösen Effekte in Hirngewebe, die alle auf einen einzigen Belastungsmodus beschränkt sind. Wir müssen jedoch mehrere Belastungsbedingungen gleichzeitig für die identifizierten Modellparameter anpassen, um genaue Berechnungsergebnisse zu erhalten. (2) Wir werden die Beziehung zwischen der makroskopischen mechanischen Antwort und der Gewebemikrostruktur durch mikrostrukturelle Untersuchungen der getesteten Proben aufklären und möglicherweise strukturelle Modellparameter identifizieren. Diese Untersuchungen sind der Schlüssel zur Bestätigung unserer Annahmen, dass die in Experimenten beobachteten porösen und viskosen Phänomene intrinsisch mit den Gewebekomponenten und der Interkonnektivität der Zellen verbunden sind. (3) Wir werden ein poro-viskoelastisches Modell entwickeln, um auf Kontinuumsebene die individuellen Effekte der flüssigen und festen Komponenten und deren Interaktion zu erfassen. Die experimentellen Ergebnisse in (1) und die in (2) identifizierten Strukturparameter werden es uns ermöglichen, phänomenologische konstitutive Gleichungen, die bisher zur Beschreibung des Verhaltens von Hirngewebe verwendet wurden, durch umfassende mikrostrukturell motivierte Materialgesetze zu ersetzen. Ein robustes Finite-Elemente-Framework wird die erfolgreiche Implementierung des vorgeschlagenen Modells ermöglichen. (4) Wir werden die Modellparameter durch ein inverses Materialparameter-Identifikationsschema genau kalibrieren und ihre physikalische Bedeutung unter Berücksichtigung der beobachteten porösen und viskosen Phänomene bewerten. Das Ergebnis des Projekts wird ein besseres Verständnis der Rolle poröser und viskoser Effekte bei der Reaktion von Hirngewebe auf mechanische Belastung sein. Wir werden die Fehlstruktur des Gewebes über experimentelle und rechnerische Untersuchungen mit seinem makroskopischen Verhalten verknüpft haben. rechnerische Untersuchungen. Mit dem daraus resultierenden kalibrierten Modell werden wir weiter erforschen, wie Struktur und mechanische Reaktion miteinander verknüpft sind, sowie das Potenzial für die Anwendung des vorgeschlagenen Modells bei klinisch relevanten Problemen aufzeigen.