Messung, statistische Auswertung und Kalibrierung von mechanischen Modellparametern menschlicher Weichteile

Beschreibung

In der biomechanischen Forschung wird die Definition von Materialmodellen für Humangewebe zunehmend wichtig. Untersuchte Gewebe umfassen Homotransplantate und Ersatzgewebe. Verifizierte Materialmodelle unterstützen medizinische Anwendungen durch numerische Modellierung. Die Budapest University of Technology and Economics und die ZHAW kooperieren mit dem Herz- und Gefässzentrum, der Semmelweis-Universität Budapest (SE) in der Forschung über Human Aorten und Aneurysmen und mit dem nationalen kardiovaskulären Zentrum von GOTTSEGEN Budapest (GOKVI) über Lungenarterien bei Kindern.

Diese Kooperationen ermöglichen den Erwerb von Proben und histopathologische Untersuchungen. In diesem Projekt werden Gewebe von diesen Institutionen erhalten und zur Prüfung an die ZHAW geliefert. Die Untersuchung von Perikardgewebe ist entscheidend. Operationen bei GOKVI lindern Stenose in pädiatrischen Lungenarterien durch das Nähen von Perikardgewebe, wodurch eine realistische Lumengrösse erzeugt wird. Die Eigenschaften des genähten Gewebes unterscheiden sich jedoch vom natürlichen Gefäss, was u.U. zu einem Zusammenbruch aufgrund veränderter Fliessbedingungen führen kann. Schliesslich untersuchen Finite-Elemente Studien dieses Stabilitätsphänomen. Zu diesem Zweck ist genaues Wissen über das Materialverhalten der Gewebe von wesentlicher Bedeutung, einschließlich der Auswirkungen von Lagerung, Einfrieren und Auftauen.

Ein ausgeprägtes Projekt-Highlight ist der Einsatz der neuen biaxialen Testmaschine der ZHAW.  Zugversuche, die an der ZHAW durchgeführt werden sollen, beschreiben globales Materialverhalten von Gewebeproben. Die Forschung wird die Merkmale von kollagenfaserverstärkten menschlichen Weichteilen bestimmen. Die Modellparameter werden durch Anpassung von Modellen an Daten bestimmt, einschliesslich anisotroper hyperelastischer Modelle für kollagene Gewebe. Die Testbereiche hängen von Dehnungsraten ab und ermöglichen eine breitere Erforschung des materiellen Verhaltens. Die Anisotropie kann durch biaxiale Tests auf der neuen ZHAW-Testmaschine aufgedeckt werden. Eine Vielzahl von Messungen ermöglicht auch eine statistische Analyse. Daher ist es wichtig, die Messungen durchzuführen und die Serie so lange wie möglich auszudehnen.

Die bestimmten Materialeigenschaften dienen als unverzichtbare Eingabedaten in numerischen Simulationen in nachfolgenden Forschungsprojekten. Die statistische Bewertung von Messdaten ermöglicht eine genauere patientenspezifische Modellierung in Bezug auf verschiedene Kategorien (Alter, Geschlecht usw.). Zusätzlich zur materiellen Kalibrierung zum Verständnis des Weichteilverhaltens erleichtern die patientenspezifischen Materialparameter auch weitere Kooperationsmöglichkeiten der teilnehmenden Forschungsgruppen.

Wir beabsichtigen, die Zusammenarbeit im Rahmen eines international finanzierten Forschungsprojekts (Horizon Europe, Eureka) fortzusetzen, das sich unter anderem auf die Erstellung von vollwertigem Finite-Elemente-Simulation realer chirurgischer Eingriffe sowie auf die Bereitstellung von Homografts und Ersatzgeweben im menschlichen Körper konzentrieren wird. Wir planen, die Ergebnisse dieser Forschung in einem peer-reviewed Journal-Artikel zu veröffentlichen und wichtige Erkenntnisse auf wissenschaftlichen Konferenzen zu präsentieren.

Eckdaten