In unserer Arbeitsgruppe liegt der Fokus auf der Modellierung und Simulation elektromagnetischer Felder, die zur Therapie verschiedener Krankheiten gezielt ausgenutzt werden. Denn angesichts der steigenden Anteils älterer Menschen an der Gesamtbevölkerung erhöht sich der Bedarf an Implantaten verschiedener Einsatzbereiche immer mehr. Hier bekommen innovative Therapieansätze zur Behandlung von Knochen-, Knorpelschäden eine immer größere Bedeutung: Elektrostimulierende Implantate können beispielsweise die Knochenheilung beschleunigen oder sogar erst möglich machen. Konkret arbeiten wir an der Optimierung von Stimulationsmethoden und bestimmen geeignete Stimulationsparameter und Elektrodendesigns.

Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit der bereits etablierten Methode der Tiefen Hirnstimulation, die bei Bewegungsstörungen wie Morbus Parkinson oder Dystonie eingesetzt wird. Mithilfe numerischer Simulation und Optimierung der Elektrodenparameter kann die Anwendung der Tiefen Hirnstimulation künftig noch effektiver gestaltet werden und Risiken für den Patienten weiter reduziert werden.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Modellierung der bei der Wechselwirkung elektromagnetischer Felder mit biologischem Gewebe zugrundeliegenden Prozesse, die auf unterschiedlichen Skalen stattfinden. Die Größenordnungen dieser Multiskalenmodelle reichen von der Modellierung neuronaler Aktionspotentiale oder einzelner Knochenzellen bis hin zu ganzen makroskopischen Strukturen, wie dem kompletten Gehirn oder dem ganzen Knochen. Im Schwerpunkt Tiefe Hirnstimulation werden Netzwerkmodelle sowie die Simulation der Aktivierung von Neuronen in verschiedenen Nervenbahnen analysiert. Mithilfe dieser Modelle lassen sich Vorgänge wie die Signalweiterleitung im Gehirn besser verstehen. Im Schwerpunkt Knochen- und Knorpelstimulation ist das Ziel die Remodellierung von Knochen und Knorpel besser zu verstehen, da diese teils bis heute noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Die möglichst realistische Modellierung biologischen Gewebes fordert teilweise die Berücksichtigung multiphysikalischer Modelle mit bioelektrischen, biomechanischen, biochemischen und thermischen Effekten.

Bei unserer Forschung verwenden wir numerische Simulationsmethoden und nutzen dabei überwiegend die Finite-Elemente-Methode. Zum Einsatz kommt dabei hauptsächlich Open-Source-Software, die teils sogar "hauseigen" ist, wie das "OSS-DBS"-Framework. Darüber hinaus nutzen wir aber auch kommerzielle Software. Die Ergebnisse werden mithilfe von experimentellen Messungen validiert. Ein weiterer Fokus der Arbeitsgruppe ist die Quantifizierung von Unsicherheiten, die aus der starken Variation der dielektrischen Gewebeeigenschaften resultieren.

Unsere Schwerpunkte sind stark interdisziplinär und daher arbeiten wir eng mit Partnern aus Medizin, Biologie, Biomedizinischer Technik, Maschinenbau, Biologie, Physik und Medizin zusammen. Insbesondere ist unsere Forschung dicht eingebunden in den Sonderforschungsbereich 1270 "ELAINE" und andere DFG-Projekte.