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Information für die Wissenschaft Nr. 56 | 28. August 2020
Schwerpunktprogramm „Robuste Kopplung kontinuumsbiomechanischer In-silico-Modelle für aktive biologische Systeme als Vorstufe klinischer Applikationen – Co-Design von Modellierung, Numerik und Nutzbarkeit“ (SPP 2311)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Robuste Kopplung kontinuumsbiomechanischer In-silico-Modelle für aktive biologische Systeme als Vorstufe klinischer Applikationen – Co-Design von Modellierung, Numerik und Nutzbarkeit“ (SPP 2311) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen. Die DFG lädt hiermit ein zur Antragstellung für die erste dreijährige Förderperiode.

Ziel des Schwerpunktprogramms ist es, methodische Grundlagen aus Modellierung, Numerik und Anwendung in einem starken Co-Design zu entwickeln und damit die Generierung robuster kontinuumsbiomechanischer Simulationsmodelle für den zukünftigen Einsatz in der klinischen Praxis zu ermöglichen. Der Fokus liegt hierbei auf aktiven biologischen Systemen im menschlichen Organismus. Das Schwerpunktprogramm zielt hingegen nicht darauf ab, den Transfer der Modelle in die Klinik über klinische Studien zu etablieren, wohl aber die Definition der Schnittstellen zwischen Modell und klinischer Anwendung. Zur Fokussierung soll sich das Programm auf Kopplungsstrategien für „aktive“ biologische Systeme konzentrieren. Dabei bezieht sich die Definition von „aktiv“ auf Systeme, die eine Zustandsänderung aufgrund physikalischer, chemischer und/oder biologischer Phänomene oder Stimuli erfahren. Beispiele sind metabolische Vorgänge, Wachstums- und Remodellierungsprozesse oder elektrische Anregung.

In interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen Kontinuumsbiomechanik, numerischer Mathematik, HPC, Datenverarbeitung und medizinischer Anwendung sollen möglichst umfassende Modelle entwickelt werden, die in der Lage sind, das komplexe und stark gekoppelte Verhalten aktiver biologischer Systeme abzubilden. Hieraus leiten sich die folgenden drei Bereiche ab:

  • Der Bereich „Modellierung“ bezieht sich auf die Kopplung biomechanischer In-silico-Modelle zur Beschreibung aktiver biologischer Systeme auf verschiedenen Längen-, Zeit- und/oder Funktionsskalen beziehungsweise auf die Kopplung kontinuumsbiomechanischer Organsystemmodelle. Beispiele sind Diffusion-Advektions-Reaktionsgleichungen auf verschiedenen Skalen (wie z. B. PDE/PDE-, PDE/ODE-Kopplung), Homogenisierungsmethoden (Mischungstheorie, Theorie poröser Medien, Biot-Theorie u. a.), geometrische Kopplung (wie z. B. 3D-1D-0D-Kopplung) oder datengetriebene Kopplung (z. B. Machine Learning als Kopplungswerkzeug), Kopplung von Organsystemen (z. B. Herzkreislaufsystem, muskuloskelettale Systeme, hepato-gastrointestinales, -renales und -pulmonales System u. a.).
  • Der Bereich „Numerik“ bezieht sich auf mathematische Algorithmen zur robusten, numerischen Lösung gekoppelter Modelle für aktive biologische Systeme sowie deren Implementierung auf Hoch- und Höchstleistungsrechnern. Beispiele sind Kopplungsalgorithmen (monolithisch, segregiert), Stabilität und Zuverlässigkeit (gemischte Methoden, Fehlerschätzer, Adaptivität u. a.) effiziente und parallel skalierende Algorithmen für komplexe mehrskalige Modelle auf Hoch- und Höchstleistungsrechnern, nichtlineare/lineare Löser (wie z. B. Vorkonditionierung, Gebietszerlegungs- und Mehrgitterverfahren), Modellreduktion (POD, DEIM, neuronale Netze, analytische Reduktionsverfahren, dünne Gitter), numerische Homogenisierungsmethoden (FE2 u. a.).
  • Der Bereich „Nutzbarkeit“ bezieht sich auf Datenaustausch, Validierung und Vorbereitung numerischer kontinuumsbiomechanischer Modelle zur Beantwortung klinisch relevanter Fragestellungen und für patientenindividuelle Lösungen. Beispiele sind Kalibrierung und Validierung (experimentelle Methoden, statistische Validierungsmethoden), Standardisierung (Datenstandardisierung und Datenverwaltung, Schnittstellen zwischen Experiment, Klinik und Modell, Integration von Daten verschiedener Ressourcen und Vergleichbares) und Anwendung im klinischen Umfeld (Datenaufbereitung, Definition und Validierung von Systemen für Klassifizierung (Scoring), Stadienbestimmung (Staging) und Gradierung (Grading), Workflows in einem klinischen Umfeld und Reflexionsstudien).

Diese Bereiche dürfen allerdings nicht isoliert betrachtet werden, sondern sind durch ein starkes Co-Design miteinander zu verknüpfen. Diese Verknüpfung ist im Antrag explizit darzustellen. Um die Interdisziplinarität und Vernetzung zu fördern, müssen die Anträge in mindestens zwei der drei Bereiche thematisch verankert sein. Idealerweise wird dies durch Tandemanträge realisiert. In begründeten Fällen können auch Tripleanträge aus den Gebieten Mechanik, Mathematik und/oder Medizin berücksichtigt werden. Zur weiteren Fokussierung des Schwerpunktprogramms sind explizite Ein- und Ausschlusskriterien auf der Internetseite des Programms aufgeführt.

Reichen Sie Ihren Antrag in englischer Sprache bitte bis spätestens 16. Dezember 2020 bei der DFG ein. Die Antragstellung erfolgt ausschließlich über das elan-Portal zur Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten. Bitte wählen Sie unter „Antragstellung – Neues Projekt/Antragsskizze – Schwerpunktprogramm“ im elektronischen Formular aus der angebotenen Liste „SPP 2311 – Robuste Kopplung kontinuumsbiomechanischer In-silico-Modelle für aktive biologische Systeme als Vorstufe klinischer Applikationen – Co-Design von Modellierung, Numerik und Nutzbarkeit“ aus.

Berücksichtigen Sie bitte beim Aufbau Ihres Antrags das DFG-Merkblatt 54.01 zu Sachbeihilfen mit Leitfaden für die Antragstellung und die Hinweise im Merkblatt Schwerpunktprogramm 50.05, Teil B. Bitte senden Sie ein weiteres Exemplar des Antrags in elektronischer Form an den Koordinator des Programms.

Handelt es sich bei dem Antrag innerhalb dieses Schwerpunktprogramms um Ihren ersten Antrag bei der DFG, beachten Sie, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Ohne Registrierung bis zum 9. Dezember 2020 ist eine Antragstellung nicht möglich. Bitte wählen Sie im Registrierungsformular bei den abschließenden Angaben ebenso wie bei der Antragstellung Ihr Schwerpunktprogramm aus der angebotenen Liste der Ausschreibungen aus. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag.

Weiterführende Informationen

Detaillierte Informationen zum Schwerpunktprogramm erhalten Sie im Internet unter:

Das elan-Portal der DFG zur Einreichung der Anträge finden Sie unter:

Die Merkblätter DFG-Vordruck 50.05 und 54.01 stehen unter:

Inhaltliche Fragen beantwortet Ihnen der Koordinator des Schwerpunktprogramms:

  • Professor Oliver Röhrle Ph.D.
    Universität Stuttgart
    Fakultät 2: Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
    Institut für Modellierung und Simulation Biomechanischer Systeme
    Pfaffenwaldring 7
    70569 Stuttgart
    Tel. +49 711 685-66284
    Link auf E-Mailroehrle@simtech.uni-stuttgart.de

Auskünfte zur Antragstellung bei der DFG erteilen:

Hinweis:

Diese "Ausschreibung - Information für die Wissenschaft" ist unter
Externer Linkwww.dfg.de/foerderung/info_wissenschaft/2020/info_wissenschaft_20_56
erreichbar. Bitte verwenden Sie ausschließlich diese URL, um das Dokument zu zitieren oder per Link einzubinden.