GewebeSimulation

Gewebe-Simulation bezeichnet die rechnerische Modellierung der mechanischen Reaktionen biologischer Gewebe auf Belastungen. Sie dient dazu, Deformation, Spannungen und Strömungen in Gewebestrukturen unter verschiedenen Lastfällen vorherzusagen und belastungsbezogene Prozesse zu verstehen.

Zu den gängigen Methoden gehören die Finite-Elemente-Methode (FEM) mit hyperelastischen, viskoelastischen und anisotropen Materialgesetzen sowie fortgeschrittene Materialmodelle, die Faserorientierungen (z. B. Kollagenfasern) berücksichtigen. Neben FEM kommen auch meshfreie Ansätze wie SPH (smoothed particle hydrodynamics) oder peridynamische Methoden zum Einsatz. Die Simulationen können statisch oder dynamisch, explizit oder implizit gelöst werden, wobei multiskalige Ansätze Gewebe auf Makro- und Mikroskala verbinden.

Geometrie- und Parameterebene basieren oft auf medizinischen Bilddaten (MRI, CT) und experimentellen Tests. Materialparameter werden entweder aus Messungen abgeleitet oder über inversive Optimierung an Referenzdaten angepasst. Modelle können patientenspezifisch personalisiert oder als allgemeine Repräsentationen verwendet werden. Validierung erfolgt durch Experimente, Phantomtests oder Vergleiche mit klinischen Beobachtungen.

Anwendungen umfassen die chirurgische Planung, intraoperative Unterstützung, Simulation von Tumor- und Gewebeverformungen, Implantat- und Prothesenentwicklung, Training und Ausbildung sowie Grundlagenforschung zur Gewebedynamik. Wichtige Softwarewerkzeuge sind kommerzielle FEM-Pakete sowie spezialisierte Open-Source-Plattformen. Herausforderungen bleiben komplexe Gewebeheterogenität, starke Nichtlinearitäten, Remodeling, Aktivität und hohe Rechenkosten, wobei Multiskalität und Datenintegration zentrale Forschungsfelder darstellen.