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A Multiscale-Multiphysics Framework for Modeling Organ-scale Liver Regrowth

Ebrahem, Adnan (2024)
A Multiscale-Multiphysics Framework for Modeling Organ-scale Liver Regrowth.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028915
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: A Multiscale-Multiphysics Framework for Modeling Organ-scale Liver Regrowth
Language: English
Referees: Schillinger, Prof. Dr. Dominik ; Budday, Prof. Dr. Silvia
Date: 19 December 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 117 Seiten
Date of oral examination: 11 December 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028915
Abstract:

The human liver is capable of regenerating after partial surgical resection. While driven by rapid cell division at the microscale, tissue growth associated with liver regeneration significantly affects the liver's meso- and macroscale perfusion capability, which liver functionality critically depends on. In this thesis, a computational framework is presented that integrates three models associated with physics at multiple spatial scales to simulate the effect of liver tissue regrowth on the perfusion capability of a full-scale liver. This includes (1) a discrete vascular tree approach representing blood supply and drainage at the organ scale, (2) a multi-compartment homogenized flow model representing perfusion at the lower levels of the hierarchical tree network and the liver lobules, and (3) an isotropic growth model of a poroelastic medium representing hyperplasia of liver lobules. Appropriate coupling mechanisms are provided and discussed to ensure physiological interaction between these components. Additionally, an empirical driving force is motivated, initiating compensatory growth of liver tissue until a physiological blood flow rate is achieved at each point of the liver domain. This driving force is calibrated based on available liver data. Using a patient-specific liver geometry, it is demonstrated that the multiscale-multiphysics model correctly predicts the typical perfusion outcome associated with common surgical cut patterns.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die menschliche Leber besitzt die Fähigkeit, sich nach einer chirurgischen Resektion zu regenerieren. Während dieses Wachstum auf mikroskopischer Ebene durch schnelle Zellteilung angetrieben wird, beeinflusst es auf meso- und makroskopischer Ebene die Perfusionsfähigkeit der Leber, von der ihre Funktionalität maßgeblich abhängt. In dieser Arbeit wird ein Berechnungsmodell vorgestellt, das drei Modelle aus unterschiedlichen physikalischen Skalen integriert, um den Einfluss des Lebergewebewachstums auf die Perfusionsfähigkeit einer vollständig skalierbaren Leber zu simulieren. Diese Modelle umfassen (1) einen diskreten Gefäßbaumansatz, der die Blutversorgung und -drainage auf Organebene darstellt, (2) ein homogenisiertes Multikompartment-Flussmodell, das die Perfusion auf den unteren Ebenen des hierarchischen Gefäßnetzes und der Leberläppchen repräsentiert, sowie (3) ein isotropes Wachstumsmodell eines poroelastischen Mediums, das die Hyperplasie der Leberläppchen beschreibt. Geeignete Kopplungsmechanismen werden bereitgestellt und diskutiert, um eine physiologische Interaktion zwischen diesen Komponenten zu gewährleisten. Darüber hinaus wird ein empirischer Wachstumsmechanismus motiviert, der das kompensatorische Wachstum des Lebergewebes initiiert, bis an jedem Punkt des Leberbereichs eine physiologische Blutflussrate erreicht wird. Dieser Wachstumsmechanismus wird anhand verfügbarer Leberdaten kalibriert. Anhand einer patientenspezifischen Lebergeometrie wird gezeigt, dass das Multiskalen-Multiphysik-Modell das typische mit gängigen chirurgischen Resektionsschnitten verbundene Perfusionsergebnis korrekt vorhersagt.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-289153
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Mechanics > Numerical Mechanics
Date Deposited: 19 Dec 2024 14:19
Last Modified: 20 Dec 2024 10:01
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28915
PPN: 524859167
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