Darstellung einer Lunge mit einem Finite-Elemente-Mesh und der inneren Atemwegsstruktur zur Simulation des mechanischen Verhaltens von Lungengewebe.

Die sichere Anwendung technischer Verfahren in der Neonatologie, insbesondere bei der mechanischen Beatmung und Absaugung, setzt ein grundlegendes Verständnis der Lungenmechanik voraus. Die Lunge besteht aus einem verzweigten Netzwerk von Luftwegen und elastischem Gewebe, deren Zusammenspiel das Verhalten des Organs bei wechselnden Druckverhältnissen unmittelbar beeinflusst. Im Projekt SMART-NEO steht die Entwicklung eines Systems zur schonenden, automatisierten Sekretentfernung im Fokus. Zur fundierten Bewertung solcher Systeme wird ein physikalisches Modell benötigt, das die Zusammenhänge zwischen Druckeinwirkung, Volumenänderung und Gewebeanspannung abbildet.

Die Modellierung der Lunge stellt eine besondere Herausforderung dar, da sowohl die Struktur als auch die mechanischen Eigenschaften des Organs hochgradig komplex sind. Die Vielzahl an Parametern und Wechselwirkungen erschwert es, das Verhalten präzise und gleichzeitig überschaubar zu beschreiben. Daher muss zunächst ein vereinfachtes Modell entwickelt werden, das zentrale mechanische Grundprinzipien abbildet und als strukturierte Grundlage für weitergehende, umfassende Simulationen dient.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein vereinfachtes Lungenmodell in Ansys erstellt und simuliert. Ausgangspunkt sind anatomisch inspirierte Grundgeometrien wie idealisierte Lungenlappen, die als Finite-Elemente-Modell die elastischen Eigenschaften des Gewebes erfassen. Das Modell wird dahingehend untersucht, wie sich das Deformationsverhalten unter verschiedenen Unterdruck- und Überdruckprofilen verhält, wie sie typischerweise bei Beatmung oder Absaugung auftreten. Durch Variation von Parametern wie Materialsteifigkeit, Wanddicke und Randbedingungen wird der Einfluss auf das Gesamtverhalten systematisch analysiert. Ziel ist, einen geeigneten Modellaufbau und Parameterraum zu identifizieren, der als Ausgangspunkt für weiterführende Untersuchungen dienen kann. Die Arbeit schafft damit die Basis für die Entwicklung sicherer, automatisierter Absaugsysteme.

Aufgaben

• Erstellung eines vereinfachten 3D-Lungenmodells in Ansys:
  Aufbau idealisierter Lungenlappen direkt in Ansys und Vorbereitung des Finite-Elemente-Modells.
• Simulation verschiedener Druckprofile:
  Untersuchung der Verformung bei Unterdruck und Überdruck, wie sie bei Beatmung und Absaugung auftreten.
• Analyse des Einflusses von Material- und Randparametern:
  Variation von Steifigkeit, Wanddicke und Randbedingungen, um deren Einfluss auf das mechanische Verhalten zu verstehen.

Voraussetzungen

• Grundkenntnisse in technischer Mechanik:
  Verständnis von Spannung, Dehnung und elastischem Verhalten.
• Erste Erfahrung mit Simulationssoftware:
  Hilfreich, aber nicht zwingend: Grundlagen in Ansys oder einem ähnlichen FEM-Tool.
• Interesse an medizinischer Technik:
  Bereitschaft, sich mit Lungenmechanik und der Anwendung in der Neonatologie zu beschäftigen.

Hinweise und Bewerbung

Die Bearbeitung ist ab sofort möglich.

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