I03: Funktionelle Modellierung

Die funktionelle Modellierung bildet physiologische Vorgänge im menschlichen Körper nach und hilft somit, die Perzeptionslücke in der Chirurgie modellbasiert zu schließen. In der ersten Förderphase stand die Elastomechanik zur Simulation von Weichgewebedeformationen im Vordergrund. Hinzu kam die Fluidmechanik, die Strömungsvorgänge und deren Flusseigenschaften in Blutgefäßen bestimmt. Gesamtziel des Projektes ist es, Chirurginnen und Chirurgen Methoden bereitzustellen, welche physiologische Vorgänge im Körper situationsspezifisch simulieren und somit die Perzeption erweitern. Zusätzlich sollen dabei Unsicherheiten und Unschärfen quantifiziert und so weit wie möglich reduziert werden.

Hierfür werden folgende Schwerpunkte gesondert berücksichtigt:

  1. Patientenspezifische, sensitivitätsbasierte Modellkalibrierung, Optimierung und wissensbasierte numerische Simulation.
  2. Systematische und mathematisch stringente Berücksichtigung von Unschärfen in den Eingabedaten und in der Modellierung zur Quantifizierung von Unsicherheiten.
  3. Entwicklung der Verknüpfung von numerischer Simulation und zugehöriger UQ in der SFB-Ontologie und in der Wissensbasis.
  4. Optimierung von Techniken des Hochleistungsrechnens für die effiziente Simulation.

Die Kombination von numerischen mit semantischen Verfahren erlaubt schließlich das kognitiv automatisierte, patientenspezifische Schließen der Perzeptionslücke mittels dedizierter Simulationen. Die Projektvision umfasst zudem einen auf Lernmethoden basierenden Rückkopplungsmechanismus, der mit jeder weiteren Patientin und jedem weiteren Patienten zur Verlässlichkeit der Simulation beiträgt.

Projektleiter

Prof. Dr.Vincent Heuveline
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Lebenslauf

Unser Team

Publikationen im Rahmen des SFB/TRR 125:

Kratzke J, Schick M, Heuveline V.
"Fluid-Structure Interaction Simulation of an Aortic Phantom with Uncertain Young’s Modulus Using the Polynomial Chaos Expansion."
Applied Mechanics and Materials 807, 34–44. Nov 2015.
doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.807.34 

Schoch N, Kißler F, Stoll M, Engelhardt S, de Simone R, Wolf I, Bendl R, and Heuveline V.
"Comprehensive Pre- and Post-Processing for Numerical Simulations in Cardiac Surgery Assistance."
Preprint Series of the Engineering Mathematics and Computing Lab, No 02 (2015).
doi:10.11588/emclpp.2015.02.23121

Paulus C, Suwelack S, Schoch N, Speidel, S, Dillmann R, Heuveline V.
"Simulation of Complex Cuts in Soft Tissue with the Extended Finite Element Method (X-FEM)."
Preprint Series of the Engineering Mathematics and Computing Lab, No 02 (2014)
doi:10.11588/emclpp.2014.02.17635

Schoch N, Kißler F.
"HiFlow3-Tutorial: Elasticity Simulation using HiFlow3."
doi:Download from www.hiflow3.org: -> Documentation -> Tutorials -> Elasticity Tutorial. 
Schoch N, Suwelack S, Speidel S, Dillmann R, Heuveline V.
"Simulation of Surgical Cutting of Soft Tissue using the X-FEM."
Preprint Series of the Engineering Mathematics and Computing Lab, No 03 (2013).
doi:10.11588/emclpp.2013.04.11825
Schoch N, Kißler F, Stoll M, Engelhardt S, De Simone R, Wolf I, Bendl R, Heuveline V.
"Comprehensive patient-specific information preprocessing for cardiac surgery simulations."
accepted for publication in the International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery (IJCARS), Special Issue: IPCAI2016
doi:10.1007/s11548-016-1397-0
Schoch N, Philipp P, Weller T, Engelhardt S, Volovyk M, Fetzer A, Nolden M, De Simone R, Wolf I, Maleshkova M, Rettinger A, Studer R, Heuveline V.
"Cognitive tools pipeline for assistance of mitral valve surgery."
Proceedings of "SPIE. Medical Imaging 2016"
doi:10.1117/12.2216059
Fetzer A, Metzger J, Katic D, Maerz K, Wagner M, Philipp P, Engelhardt S, Weller T, Zelzer S, Franz AM, Schoch N, Heuveline V, Maleshkova M, Rettinger A, Speidel S, Wolf I, Kenngott H, Mehrabi A, Mueller-Stich B, Maier-Hein L, Meinzer H-P, Nolden M.
"Towards an open-source semantic data infrastructure for integrating clinical and scientific data in cognition-guided surgery."
Proceedings of "SPIE. Medical Imaging 2016"
doi:10.1117/12.2217163
Kratzke J, Schoch N, Weis C, Mueller-Eschner M, Speidel S, Farag M,  Beller C, Heuveline V.
"Enhancing 4D PC-MRI in an aortic phantom considering numerical simulations."
Proceedings of "SPIE 9412, Medical Imaging 2015: Physics of Medical Imaging"
doi:10.1117/12.2082483
Schoch N, Engelhardt S, Zimmermann N, Speidel S, De Simone R, Wolf I, Heuveline V.
"Integration of a biomechanical simulation for mitral valve reconstruction into a knowledge-based surgery assistance system."
Proceedings of "SPIE 9415, Medical Imaging 2015: Image-Guided Procedures, Robotic Interventions and Modeling."
doi.:10.1117/12.2082153
Schoch N, Engelhardt S, Zimmermann N, Speidel  S, De Simone R, Wolf I, Heuveline V.
"Integration einer Biomechanischen Simulation zur Unterstützung von Mitralklappen-Rekonstruktionen in ein Wissensbasiertes Assistenzsysystem."
Article in "Tagungsband der CURAC 2014", Deutsche Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie, e.V., 2014.
Stefan Suwelack, Stoll M, Sebastian Schalck, Schoch N, Dillmann R, Bendl R, Heuveline V,  Speidel S.
"The Medical Simulation Markup Language (MSML) – Simplifying the Biomechanical Modeling Workflow."
Proceedings of "Medicine Meets Virtual Reality, MMVR2014"
doi:10.3233/978-1-61499-375-9-394
Kratzke J, Rengier F, Weis C, Beller CJ, Heuveline V.
„In vitro flow assessment: from PC-MRI to computational fluid dynamics including fluid-structure interaction.“
Proc. SPIE 9783-190, Medical Imaging 2016: Physics of Medical Imaging
Kratzke J, Schoch N, Weis C, Müller-Eschner M, Speidel S, Farag M, Beller CJ, Heuveline V.
"Enhancing 4D PC-MRI in an aortic phantom considering numerical simulations."
Proc. SPIE 9412, Medical Imaging 2015: Physics of Medical Imaging, 94121E
doi:10.1117/12.2082483
Schick M, Le Maitre OP, Heuveline V.
"A Newton-Galerkin Method for Fluid Flow Exhibiting Uncertain Periodic Dynamics."
Journal on Uncertainty Quantification, 2(1):153–173 (2015). 
Schick M, Song C, Heuveline V.
"A Polynomial Chaos Method for Uncertainty Quantification in Blood Pump Simulation."
Proceedings of UNCECOMP2015 International Conference on Uncertainty Quantification in Computational Sciences and Engineering (2015).
Heuveline V, et al.
"HiFlow3 - A Hardware-Aware Parallel Finite Element Package."
Tools for High Performance Computing. 139-151 (2012).