Projekte

Magnetic Drug Targeting unter Einsatz von superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs) ist eine wirksame Methode, um in der Krebstherapie die Wirkstoffapplikation im Tumorgewebe zu steigern, bei gleichzeitiger Reduktion der Gesamtwirkstoffmenge und der mit der Therapie einhergehenden Nebenwirkungen. Während die Wirksamkeit des Ansatzes bereits in Studien nachgewiesen werden konnte, fehlen allerdings bislang Ansätze, um diese Methode an den jeweiligen Behandlungsfall anzupassen und zu optimieren. Ziel dieses Antrags ist es daher, die Grundlagen für eine derartige patientenindividuelle Optimierung zu legen: Vergleichbar dem bereits erfolgreich praktizierten Procedere in der Strahlentherapie sollen perspektivisch vor der Anwendung der Therapie auf Basis des lokalen Gefäßsystems des Patienten und der Eigenschaften des Tumors die verwendeten Magnetfelder derart angepasst werden, dass der Anteil des Wirkstoffs, der in das Tumorgewebe gelangt, maximiert wird. Zu diesem Zweck soll im beantragten Projekt ein physiologisch-physikalisches Modell der Bewegung und Magnetfeld-basierten Steuerung von SPIONs entwickelt, als Finite-Elemente-Modell implementiert und experimentell validiert werden. Dieses soll es erlauben, die zeitlich variable Feldstärke und Position eines oder mehrerer Elektromagnete in Hinblick auf die Partikelkonzentration in einem Zielgebiet zu optimieren. Im Projekt sollen dabei die Steuerung bei einfach und mehrfach verzweigten Kanalsystemen ebenso wie beim Übertritt aus dem Gefäß in das umliegende Gewebe betrachtet werden. Damit soll die Basis für eine spätere Übertragung des Optimierungsansatzes auf gegebene Gefäß- und Tumormodelle in der klinischen Anwendung gelegt werden. Die mathematisch-algorithmische Entwicklung des Simulations- und Optimierungstools obliegt dabei dem Lehrstuhl für Angewandte Mathematik III (AM3) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Im gesamten Projektverlauf soll dieses Modell experimentell validiert und auf Basis von Versuchen erweitert werden. Die zugehörigen Versuchsaufbauten werden gemeinsam vom Lehrstuhl für Technische Elektronik (LTE) der FAU und der Sektion für Experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON) des Universitätsklinikums Erlangen entwickelt und betreut. Dabei ist der LTE für die Mess- und Steueraufbauten verantwortlich, die SEON für die Nanopartikel und die Gefäßmodelle inkl. Untersuchungen an menschlichen Nabelschnurarterien.

Mountain glaciers and ice caps outside the large ice sheets of Greenland and Antarctica contribute about 41% to the global sea level rise between 1901 to 2018 (IPCC 2021). While the Arctic ice masses are and will remain the main contributors to sea level rise, glacier ice in other mountain regions can be critical for water supply (e.g. irrigation, energy generation, drinking water, but also river transport during dry periods). Furthermore, retreating glaciers also can cause risks and hazards by floods, landslides and rock falls in recently ice-free areas. As a consequence, the Intergovernmental Panel of Climate Change (IPCC) dedicates special attention to the cryosphere (IPCC 2019; IPCC 2021). WMO and UN have defined Essential Climate Variables (ECV) for assessing the status of the cryosphere and its changes. These ECVs should be measured regularly on large scale and are essential to constrain subsequent modelling efforts and predictions.
The proposed International Doctorate Program (IDP) “Measuring and Modelling Mountain glaciers and ice caps in a Changing ClimAte (M3OCCA)” will substantially contribute to improving our observation and measurement capabilities by creating a unique inter- and transdisciplinary research platform. We will address main uncertainties of current measurements of the cryosphere by developing new instruments and future analysis techniques as well as by considerably advancing geophysical models in glaciology and natural hazard research. The IDP will have a strong component of evolving techniques in the field of deep learning and artificial intelligence (AI) as the data flow from Earth Observation (EO) into modelling increases exponentially. IDP M3OCCA will become the primary focal point for mountain glacier research in Germany and educate emerging
talents with an interdisciplinary vision as well as excellent technical and soft skills. Within the IDP we combine cutting edge technologies with climate research. We will develop future technologies and transfer knowledge from other disciplines into climate and glacier research to place Bavaria at the forefront in the field of mountain cryosphere research. IDP M3OCCA fully fits into FAU strategic goals and it will leverage on Bavaria’s existing long-term commitment via the super test site Vernagtferner in the Ötztal Alps run by Bavarian Academy of Sciences (BAdW). In addition, we cooperate with the University of Innsbruck and its long-term observatory at Hintereisferner. At those super test sites, we will perform joint measurements, equipment tests, flight campaigns and cross-disciplinary trainings and exercises for our doctoral researchers. We leverage on existing
instrumentation, measurements and time series. Each of the nine doctoral candidates will be guided by interdisciplinary, international teams comprising university professors, senior scientists and emerging talents from the participating universities and external research organisations.

Das "Message Passing Interface (MPI) ist der de-facto Standard für verteiltes Rechnen auf allen modernen Rechenclustern und Supercomputern.  Unsere Arbeit macht MPI-Funktionalität in Common Lisp verfügbar und führte zur Entwicklung verschiedener neuer Zugänge zum verteilten Rechnen (interaktiv, objekt-orientiert, mit garbage-collection).

In diesem Projekt wurde ein Programm erstellt, das Differenzenstern-Operationen, die durch abstrakte Operationen (Differential-Operatoren) definiert waren, in Code für die entsprechende Vektor-Operation übersetzt wurde.  Dies kann verwendet werden, um Lösungsverfahren für eine Vielzahl von Anwendungsproblemen zu definieren, sofern sie mit Hilfe strukturierter Gitter approximiert werden.

Die fundamentalen Probleme in der numerischen Approximation vom Mehrphasensystemen, oder allgemeiner, die Behandlung von Strömungen mit freien kapillaren Rändern, sind die Darstellung der freien Oberfläche, die Auswertung der Krümmung, die Behandlung der Unstetigkeiten (insbesondere des Drucks), sowie Zeitdiskretisierungsstrategien, um Strömungsrechnung und Geometrie zu entkoppeln.
Während die ersten drei Punkte in der Literatur ausgiebig behandelt werden, wurde das letzte Problem -nämlich die effiziente Behandlung der Zeitdiskretisierung- weitgehend ignoriert.  Die Mehrzahl der bestehenden Arbeiten entkoppeln das Strömungsfeld von der Geometrie, indem einfach die geometrischen Einheiten des vorherigen Zeitschritts verwendet werden.  Diese Verfahrensweise führt (a) zu einer erheblichen Einschränkung durch eine kapillare CFL-Bedingung und ist (b) höchstens von erster Ordnung.  Zwar gibt es semi-implizite Diskretisierungen, die Problem (a) beheben, aber diese sind immer noch nur von erster Ordnung und außerdem sehr dissipativ in bestimmten Situationen.
Dieses Projekt soll daher Zeitdiskretisierungen höherer Ordnung entwickeln, die ohne Einschränkungen an den Zeitschritt stabil und minimal dissipativ sind.  Um die entstehenden Systeme zu lösen, ist eine Kopplung zwischen Strömungsfeld und Geometrie notwendig, für welche effiziente Lösungstechniken entwickelt werden.