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ILM - Modelierung und Simulation

Zur Berechnung der Lichtausbreitung in streuenden Materialien werden am ILM das Finite-Difference Time-Domain-Verfahren und die Monte Carlo Methode eingesetzt. Die Wärmeleitung in verschiedenen Körpern und Materialien wird basierend auf einem Finite-Differenzen-Verfahren berechnet.

FDTD-Simulation einer elektromagnetischen Welle während der Propagation durch eine Dentinschicht, bestehend aus zylindrischen Tubuli. © ILM

Lichtausbreitung
Zur Berechnung der Lichtausbreitung in streuenden Materialien werden am ILM zwei Simulationstechniken eingesetzt.

Das FDTD-Verfahren (Finite-Difference Time-Domain) ist eine Methode zur numerischen Lösung der Maxwell-Gleichungen. Am ILM wird ein FDTD-Programm entwickelt, mit dem es möglich ist, die Lichtausbreitung in biologischem Gewebe exakt zu berechnen. Aufgrund der hohen Anforderungen des Algorithmus an Arbeitsspeicher und Prozessorleistung wird eine parallelisierte Version implementiert, die es erlaubt, verfügbare Parallelrechner für ressourcenkritische Simulationen zu nutzen.

Zur Simulation der Lichtausbreitung in größeren Gewebevolumina wird die Monte Carlo Methode eingesetzt. Mit dem am ILM entwickelten Programm können verschiedene geometrische Anordnungen der Gewebe, wie Schichten, Zylinder, Kugeln oder heterogene (Voxel-basiert) Gewebe, berechnet werden. Simulationen in der Zeit-, Frequenz- und Dauerstrichdomäne sind durchführbar. Außerdem kann die Mikrostruktur des Gewebes über die Streufunktion berücksichtigt werden.

Verteilung der relativen Lichtintensität in einem geschichtet aufgebauten Gewebe (Epidermis, Dermis, subkutanes Fett, Muskel) bei senkrechter Einstrahlung (Strahldurchmesser = 15 mm). © ILM
Wärmeleitung
(Finite-Differenzen-Verfahren)
Eine störungsfreie Temperaturmessung im Inneren technischer oder biologischer Materialien ist nahezu unmöglich. Es ist zum Verständnis thermischer Effekte deshalb sehr hilfreich, die Wärmeleitung und die Absorption von Laserstrahlung im Material zu simulieren, um z.B. die Laserparameter festzulegen, mit denen bestimmte biologische Prozesse, wie die Verödung kleiner Gefäße, ausgelöst werden können. Dazu steht eine eigens für diesen Zweck entwickelte Software (basierend auf einem Finite-Differenzen-Verfahren) zur Verfügung, mit der die Wärmeleitung in nahezu beliebigen Modellen und Geometrien verschiedener Materialien im zeitlichen Verlauf berechnet werden kann. Selbstverständlich können im Modell auch Wärmequellen berücksichtigt werden, wie z.B.in Folge der – mit dem Monte-Carlo-Verfahren berechneten – Absorption von Laserstrahlung. Mit diesem Werkzeug kann die Temperaturentwicklung an beliebigen Punkten im Modell dargestellt werden.
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/pm/ilm-modelierung-und-simulation