Ziel:
In diesem Projekt zielen wir auf die mechanische Modellierung und die robuste numerische Simulation der Kopplung von Fluid-Struktur-Interaktion mit pharmakologischen Effekten. Das daraus entstehende virtuelle Labor ermöglicht die computergestützte Analyse unterschiedlicher medikamentenbasierter Behandlungen kardiovaskulärer Erkrankungen und unterstützt die Vorbereitung klinischer Anwendungen.
Simulationsergebnisse einer patientenspezifischen Arterie mit Media, Adventitia und atherosklerotischem Plaque auf Basis der Materialmodelle und numerischen Methoden aus [1].
Rohdaten zur Erzeugung der Arteriengeometrie wurden zur Verfügung gestellt von R. Erbel und D. Böse (Universitätsklinikum Essen) mittels IVUS und Virtual Histology.
Beschreibung:
In diesem Projekt zielen wir auf die mechanische Modellierung und die robuste numerische Simulation der Kopplung von Fluid-Struktur-Interaktion mit pharmakologischen Effekten. Das daraus entstehende virtuelle Labor ermöglicht die computergestützte Analyse unterschiedlicher medikamentenbasierter Behandlungen kardiovaskulärer Erkrankungen und unterstützt die Vorbereitung klinischer Anwendungen.
Ein Beispiel, wo dies angewendet werden kann, sind atherosklerotische Arterien; hier kann eine Plaqueruptur zu einem Herzinfarkt oder einem Schlaganfall führen. Das Hauptziel ist die Entwicklung eines robusten numerischen Frameworks mit geeigneten Modellen für die rechnergestützte Simulation der Auswirkungen von Medikamenten auf die komplexen biochemo-mechanischen Prozesse in den Arterienwänden mit Hilfe von Hochleistungsrechnern. Die übergeordneten Ziele sind wie folgt zusammengefasst:
I. Konstruktion geeigneter Modelle für die komplexen pharmako-mechanischen Prozesse, die mit medikamenteninduzierten Modifikationen der Aktivierung der glatten Muskulatur und dem Remodeling der Gewebezusammensetzung verbunden sind.
II. Die Entwicklung von robusten numerischen Kopplungsschemata und Löserstrategien, um einen Rahmen für die prädiktive Simulation von resultierenden Fluid-Struktur-Chemie-Interaktionsproblemen zu schaffen.
III. Analyse der entwickelten Methoden durch Untersuchung geeigneter Benchmark-Probleme und Vergleich der Simulationsergebnisse mit Messdaten, die von unseren klinischen Kooperationspartnern gewonnen wurden.
Gemeinsam bringen die PIs Expertisen ein, die sich an der Schnittstelle von mechanischer Modellierung und numerischen Methoden überschneiden, wie es die Herausforderungen dieses Projekts erfordern. Im Sinne des Schwerpunktprogramms SPP 2311 schlägt dieses Projekt durch die Einbeziehung der Expertise der klinischen Kooperationspartner eine Brücke zwischen den Disziplinen Mechanik, Mathematik und Medizin. Die resultierenden Berechnungs- und Modellierungsstrategien dieses Projekts werden direkt auf verschiedene andere medizinische Probleme anwendbar sein, die mit einer pharmako-mechanischen Interaktion zusammenhängen.
Involvierte Institutionen:
Ruhr-Universität Bochum
Universität zu Köln
Technische Universität Freiberg
Links:
Antragsteller:
Prof. Dr. Daniel Balzani,
Continuum Mechanics,
Ruhr-Universität Bochum
Prof. Dr. Axel Klawonn,
Applied Mathematics and Scientific Computing, Universität zu Köln
Prof. Dr. Oliver Rheinbach,
Mathematics and Computer Science, Technische Universität Freiberg
Promovierende:
Sharan Nurani Ramesh,
Continuum Mechanics,
Ruhr-Universität Bochum
Lea Saßmannshausen
Applied Mathematics and Scientific Computing, Universität zu Köln
Publikationen:
Peer-reviewed Journal Articles
[1] D. Balzani, A. Heinlein, A. Klawonn, J. Knepper, S. Nurani Ramesh, O. Rheinbach, L. Saßmannshausen, and K. Uhlmann. A computational framework for pharmaco-mechanical interactions in arterial walls using parallel monolithic domain decomposition methods. GAMM-Mitteilungen, volume 47, page e202370002, 2024. doi: 10.1002/gamm.202370002.
[2] D. Balzani, A. Heinlein, A. Klawonn, O. Rheinbach, and J. Schröder. Comparison of arterial wall models in fluid–structure interaction simulations. Computational Mechanics, volume 72, pages 949–965, 2023. doi: 10.1007/s00466-023-02321-y.
[3] D. Ogiermann, L.E. Perotti, and D. Balzani.A simple and efficient adaptive time stepping technique for low-order operator splitting schemes applied to cardiac electrophysiology. Int. J. Numer. Methods Biomed. Eng., 39(2):e3670, 2023. doi: 10.1002/cnm.3670.
[4] D. Ogiermann, D. Balzani, and L.E. Perotti. An explicit local space-time adaptive framework for monodomain models in cardiac electrophysiology. Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 422:116806, 2024. doi: 10.1016/j.cma.2024.116806.
[5] K. Uhlmann and D. Balzani. Chemo-mechanical modeling of smooth muscle cell activation for the simulation of arterial walls under changing blood pressure. Biomech. Model. Mechanobiol., 22(3):1049–1065, 2023. doi: 10.1007/s10237-023-01700-x.
[6] S. Nurani Ramesh, K. Uhlmann, L. Saßmannshausen, O. Rheinbach, A. Klawonn, A. Heinlein, and D. Balzani. First steps towards modeling the interaction of cardiovascular agents and smooth muscle activation in arterial walls. Proc. Appl. Math. Mech., 22(1):e202200133, 2023. doi: 10.1002/pamm.202200133.
Präsentationen:
[1] S. Nurani Ramesh, K. Uhlmann, D. Balzani. Modeling and Simulation of Atherosclerotic Arteries under the Influence of Antihypertensive Medication. Internal Seminar of Work groups from Bochum, Essen, Freiberg and Köln, Kevelaer, February 5-8, 2024.
[2] L. Saßmannshausen, D. Balzani, A. Heinlein, A. Klawonn, J. Knepper, S. Nurani Ramesh, and O. Rheinbach. Modeling and Simulation of Pharmaco-Mechanical FSI for an Enhanced Treatment of Cardiovascular Disease. Internal Seminar of Work groups from Bochum, Essen, Freiberg and Köln, Kevelaer, February 5-8, 2024.
[3] Alexander Heinlein. Scalable coarse spaces for monolithic Schwarz preconditioners. 28th International Conference on Domain Decomposition Methods (DD28), KAUST, Saudi Arabia, January 28 – February 1, 2024.
[4] L. Saßmannshausen, S. Nurani Ramesh, D. Balzani, A. Heinlein, A. Klawonn, J. Knepper, O. Rheinbach, and K. Uhlmann. A computational framework for pharmaco-mechanical interactions in arterial walls using parallel monolithic domain decomposition methods. Annual Meeting of the DFG Priority Program 2311, Magdeburg, Germany, September 11-13, 2023.
[5] L. Saßmannshausen, A. Heinlein, J. Knepper, A. Klawonn, and C. Hochmuth. Parallel Scalable Domain Decomposition Methods for Incompressible Fluid Flow Problems. European Conference on Numerical Mathematics and Advanced Applications (ENUMATH), Lisbon, Portugal, September 4-8, 2023.
[6] L. Saßmannshausen, D. Balzani, A. Heinlein, A. Klawonn, J. Knepper, S. Nurani Ramesh, and O. Rheinbach. Parallel Scalable Domain Decomposition Methods in Pharmaco-Mechanical Fluid-Structure Interaction. International Conference on Structural Dynamics (EURODYN), Delft, Netherlands, Juli 02-05, 2023.
[7] L. Saßmannshausen, D. Balzani, A. Heinlein, A. Klawonn, J. Knepper, S. Nurani Ramesh, and O. Rheinbach. Parallel Scalable Domain Decomposition Methods in Pharmaco-Mechanical Fluid-Structure Interaction. European Trilinos User Group Meeting (EuroTUG), Delft, Netherlands, June 28-30, 2023.
[8] S. Ramesh, K. Uhlmann, L. Saßmannshausen, J. Knepper, A. Heinlein, O. Rheinbach, A. Klawonn, and D. Balzani. Modeling drug diffusion and smooth muscle response in arteries. Annual Congress of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM), Dresden, May 30-June 2, 2023.
[9] Alexander Heinlein, Axel Klawonn, Lea Saßmannshausen. Parallel Domain Decomposition Preconditioning Techniques for Incompressible Fluid Flow Problems. 22nd IACM Computational Fluids Conference (CFC 2023), Cannes, France, April 25-38, 2023.
[10] L. Saßmannshausen, D. Balzani, A. Heinlein, A. Klawonn, J. Knepper, S. Nurani Ramesh, and O. Rheinbach. Parallel Scalable Domain Decomposition Methods in Pharmaco-Mechanical Fluid-Structure Interaction. 15th JLESC (Joint Laboratory for Extreme Scale Computing) Workshop, Bordeaux, France, March 20-24, 2023.
[11] S. Nurani Ramesh, K. Uhlmann, and D. Balzani. Modeling the effect of cardiovascular agents on smooth muscle activation in arterial walls. 9th GACM Colloquium on Computational Mechanics, Essen, September 21-23, 2022.
[12] S. Nurani Ramesh, K. Uhlmann, D. Balzani. Modeling of the interaction of cardiovascular agents and smooth muscle activation in arterial walls. Annual Congress of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM), Aachen, August 15-19, 2022.
[13] S. Nurani Ramesh, K. Uhlmann, L. Saßmannshausen, F. Röver, D. Balzani, A. Klawonn, O. Rheinbach. Modeling and Simulation of Cardiovascular Agents and Smooth Muscle Activation in Arterial Walls. Kickoff Meeting of the DFG Priority Program 2311, Stuttgart, Germany, May 23, 2022.