Einsatz numerischer Simulation und In-silico zur Verbesserung medizinischer Geräte

Eine numerische Simulation ist eine Berechnung, die auf einem Computer nach einem Programm ausgeführt wird, das ein mathematisches Modell für ein physikalisches System implementiert. Numerische Simulationen werden benötigt, um das Verhalten von Systemen zu untersuchen, deren mathematische Modelle zu komplex sind, um analytische Lösungen zu liefern, wie bei den meisten nicht-linearen Systemen. Bei Simq setzen wir numerische Simulation in unseren Softwarelösungen ein, um zum Beispiel die Qualität und Sicherheit von Implantaten digital zu testen. 

In der Forschung und Entwicklung ist die numerische Simulation ein sehr beliebtes Werkzeug in allen Situationen, in denen der praktische experimentelle Aufwand zu hoch ist oder keine analytischen Lösungen für das spezifische Problem bekannt sind.

Validierte Simulationsmodelle ermöglichen eine Minimierung des praktischen experimentellen Aufwands und können schwierige oder nicht messbare Phänomene mit vertretbarem Aufwand darstellen. Darüber hinaus ermöglicht die numerische Simulation nicht nur die schnelle und automatische Durchführung von Parameterstudien unter variierenden Randbedingungen, sondern erleichtert auch die Anwendung von Optimierungsalgorithmen.

Die numerische Simulation ist ein Schlüssel für die medizinische Forschung und die personalisierte Medizin. Numerische Simulation kann dazu beitragen, die F&E-Kosten um bis zu 50 % zu senken und die Markteinführung von Medizinprodukten zu beschleunigen.

Mit der numerischen Simulation können Sie auch die Qualität und Sicherheit medizinischer Komponenten und Systeme verbessern, indem Sie virtuell mehr Tests durchführen und verschiedene Varianten einbeziehen, die mit herkömmlichen Methoden nicht machbar gewesen wären.

Das Ergebnis sind in jedem Fall optimierte Medizinprodukte, die mithilfe der numerischen Simulation auf die individuellen Bedürfnisse der Patienten zugeschnitten sind.

Die numerische Simulation hat zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten als Dienstleistung und kann auch in medizinische Softwarelösungen integriert werden.

Wir bei Simq integrieren numerische Simulation in unsere Softwarelösungen und haben die folgenden Anwendungsfälle für Dienstleistungen identifiziert:

1. Simulation im Zulassungsprozess, wo wir die Simulation mit den neuesten Richtlinien in einer regulatorisch konformen Weise anwenden, um eine schnellere Zulassung durch In-Silico-Tests zu unterstützen.
2. Virtuelles Testlabor, um die Funktion und Festigkeit von Implantaten digital zu testen und Entwicklungszyklen zu verkürzen 
3. Patientenspezifische Simulationen zum besseren Verständnis des Implantatverhaltens im Körper eines Patienten und zur effizienten Bewertung und Überprüfung kundenspezifischer Implantate.
4. Post-Market Surveillance zur effizienten Erstellung digitaler Nachweise für klinische Nachuntersuchungen zur Funktion und Sicherheit von Medizinprodukten.

Es gibt viele numerische Methoden, die für die Simulation von technischen Problemen verwendet werden. Unter ihnen sind die Finite-Differenzen-Methode (FDM) und die Finite-Elemente-Methode (FEM) die am häufigsten verwendeten. Die FDM liefert eine punktweise Annäherung an ein Problem mit einer Reihe von Gitterpunkten, die die Geometrie entlang jeder Koordinatenachse unterteilen.  Das FEM-Modell hingegen liefert eine stückweise Annäherung an ein Problem mit einer Ansammlung von Elementen, die die Geometrie entlang der Grenzen unterteilen.

Die FDM löst die maßgebenden Gleichungen durch direkte Differenzierung entlang jeder Koordinatenachse und kann daher sehr schnell arbeiten. Die FEM löst die maßgebenden Gleichungen durch Diskretisierung des Bereichs mit Elementen einer ausgewählten Form und deren Zusammenbau zum Gesamtsystem, weshalb sie in der Regel langsamer ist als die FDM. Die FDM wird hauptsächlich für die Lösung von Strömungsmechanik- und Wärmeübertragungsproblemen mit stationären Grenzen verwendet, aber es ist unmöglich, die FDM für die Lösung von Problemen mit großen Dehnungen/Verformungen zu verwenden. Die FEM hat mehr Vorteile bei der Lösung von Problemen mit großen Verformungen und kann für fast alle Arten von technischen Problemen mit komplexer Geometrie und Materialkombinationen verwendet werden.