Simulation Virtuelles menschliches Labor – KEM
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Virtuelles menschliches Labor

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Virtuelles menschliches Labor

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Allein die große Anzahl patientenspezifischer Geometrien legt die Realisierung von In-silico-Testverfahren nahe, um schneller Analysen durchführen zu können. Bild: Ansys
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Computermodellierung und -simulation führen auch in der Medizintechnik und Pharmazeutik zu einem Technologiewandel: in vivo, in vitro und nun in silico. Die In-silico-Revolution kann dabei die Innovation vorantreiben und Lösungen liefern, damit wir alle zu vertretbaren Kosten länger und besser leben können. Ansys verfügt hier bereits über umfassende Erfahrung und ein Netzwerk von Ressourcen, um Unternehmen bezüglich der In-silico-Entwicklung zu unterstützen.

Der Autor: Thierry Marchal, Director Healthcare Industry Marketing, Ansys

Nach den Branchen, in denen die technische Simulation zuerst eingeführt wurde – etwa Luftfahrt-, Automobil- und Nuklearindustrie – haben nun auch biomedizinische und pharmazeutische Unternehmen damit begonnen, Computermodellierung und -simulation (CM&S) anzuwenden. Ziel ist, sowohl die Produktentwicklungsprozesse zu beschleunigen als auch die hohen Kosten für die Markteinführung neuer Medikamente zu reduzieren. Damit bietet sich nun auch in diesen Branchen die Chance, durch Versuche am Computer – in silico – einen hohen Innovationszuwachs zu erreichen.
So wie durch In-vitro-Tests die In-vivo-Versuche ergänzt (aber nicht gänzlich ersetzt!) werden konnten, kann nun die digitale Technologie die Entwicklung weiter beschleunigen. Aus der Zusammenarbeit einer wachsenden Zahl von Verfechtern solch moderner Technologien mit Marktführern und Innovatoren haben sich bereits Best Practices herauskristallisiert.
Viele medizinische Produkte – und natürlich alle Medikamente – wirken direkt auf den Körper ein. Sie in ihrer Wirkumgebung zu testen, ist eine notwendige, aber auch schwierige Aufgabe. Es kann sogar unmöglich sein, Freiwillige zu finden, um die Wirksamkeit einer bestimmten Behandlung zu testen, ohne diese Personen zu gefährden. Aufgrund von Fortschritten der medizinischen Bildgebung, der Rechenleistung und der numerischen Algorithmen und Modelle können allerdings medizinische und pharmazeutische Unternehmen jetzt menschliche Umgebungen nachbilden. Falls erforderlich, können die Forscher diese mit hoher Genauigkeit hinsichtlich der Geometrie und der Funktionsbedingungen erweitern und potenziell auf diese Weise den gesamten menschlichen Körper durch einen Systemansatz modellieren.
Innovative Unternehmen entwickeln dazu ein detailliertes Modell des Gerätes und des Körperteils, auf den es einwirkt. So können sie das komplexe thermische, strukturelle, strömungstechnische und/oder elektromagnetische Verhalten der natürlichen Komponenten – etwa von Weichteilen, Knochen und Blut – durch die Anwendung hochentwickelter, zuvor durch Versuche validierter Modelle vorhersagen.
Um eine Simulation des gesamten Körpers zu erreichen, werden dazu die entsprechenden Randbedingungen sowie die verschiedenen Aktivitäten und Pathologien des Patienten durch eine Kombination von 3D-Modellierung und Simulation auf der Systemebene nachgebildet. Ein detailliertes Verständnis der möglichen Funktionsweise ist dabei in der frühen Konzeptphase des Produktentwicklungsprozesses von großer Bedeutung. Hier können mögliche Fehler erkannt und Optimierungsmöglichkeiten berücksichtigt werden.
Auf dem Weg zu zuverlässigeren Untersuchungen
Die Entwicklung solcher hochentwickelten Modelle des menschlichen Körpers erfolgt gewöhnlich schrittweise, wobei jede Anwendungsebene wertvolle Einblicke liefert. Als erster Schritt fügt ein Unternehmen, das technische Simulationen verwendet, diejenigen Komponenten des menschlichen Körpers hinzu, auf die das Gerät direkt einwirkt; dies ist die erste Ebene der Übernahme des virtuellen Labors für die menschliche Interaktion als Best Practice. Anschließend können die Forscher weitere Elemente hinzufügen und die Komplexität des menschlichen Körpers nachbilden – durch Berücksichtigung komplexerer nichtlinearer Modelle oder durch Hinzufügen weiterer physikalischer Größen –, um die Interaktion zwischen Körper und Gerät zuverlässiger untersuchen zu können.
Im Anschluss daran sollte die Anzahl der Körperteile schrittweise erhöht werden, bis der ganze Körper erfasst ist, möglicherweise unter Anwendung eines Modells reduzierter Ordnung. Durch dieses schrittweise Verfahren erreichen diese innovativen Unternehmen eine kontinuierliche Verbesserung ihrer virtuellen Testprozesse. Zwei Beispiele verdeutlichen das:
  • Das Projekt Virtuheart hilft Ärzten, die beste Behandlungsform zu ermitteln. Hierbei wird durch Simulation die Diagnose der Schwere einer Erkrankung der Herzkranzgefäße bei einem bestimmten Patienten individuell analysiert.
  • Das Unternehmen Starkey Hearing Technologies stellt mittels Simulation sicher, dass Hörhilfen und ihre Steuergeräte zuverlässig arbeiten, indem sowohl das Gerät als auch sein Anwender berücksichtigt werden.
Die Medizintechnik steht dabei durch die Verschiedenartigkeit der Menschen vor einer enormen Herausforderung – es reicht nicht, nachzuweisen, dass ein Gerät für eine einzige Person einwandfrei funktioniert. Die Gerätehersteller müssen vielmehr zuverlässig nachweisen, dass die medizintechnischen Einrichtungen wie vorgesehen für die gesamte Zielpopulation funktionieren. Typischerweise werden dazu neue Geräte an Hunderten oder Tausenden von Patienten in klinischen Versuchen erprobt, um nachzuweisen, dass von ihnen keine Gefahr für die Patienten ausgeht und dass sie trotz der physiologischen und pathologischen Vielfalt der Zielpopulation die erwarteten Ergebnisse bringen.
Durch ihre Ähnlichkeit und Reproduzierbarkeit bieten diese klinischen Tests gute Möglichkeiten für den Einsatz von Computermodellen und Simulation. Indem sie ein und dieselbe Simulation an großen Datenbeständen von patientenspezifischen Geometrien und Materialeigenschaften durchführen, können die Forscher klinische In-silico-Versuche entwickeln, die lediglich auf einigen Schlüsselparametern basieren und erhalten hierdurch wertvolle Erkenntnisse. Da die Tests an virtuellen Patienten durchgeführt werden, besteht auch keinerlei Schadens- oder Sicherheitsrisiko. Es ist daher möglich, auch extreme Bedingungen zu testen und damit den tatsächlichen Betriebsbereich für eine bestimmte Lösung zu ermitteln.
Die Entwicklung solcher klinischen In-silico-Versuche ist eine zeitaufwändige Aufgabe, da hierzu große Datenbestände patientenspezifischer Geometrien, Materialeigenschaften und Betriebsbedingungen erfasst werden müssen. Die Modellierung der Interaktionen des Gerätes mit dem Körper eines einzelnen Patienten ist jedoch ein erster Schritt zu einem In-silico-Testverfahren. Durch die Zusammenarbeit der Medizintechnik-Hersteller mit klinischen Partnern und Anbietern von Simulationssoftware wie Ansys ist es möglich, eine größere Zahl von patientenspezifischen Geometrien in die Datenbank aufzunehmen. Diese fortschreitende Übernahme und Ausweitung von klinischen In-silico-Tests erhöht die Zuversicht, dass neue Behandlungsverfahren bei den realen klinischen Tests problemlos funktionieren. I

Info & Kontakt

Ansys Germany GmbH, Darmstadt
Tel. +49 6151 3644-0
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http://t1p.de/6f6i
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