Skalenübergreifende Analyse makroporöser Membranen im Kontext digitaler Zwillinge

Patrick Altschuh
2020
Zur Optimierung und Auslegung von medizinischen Schnelltests sind anwendungsnahe Vorhersagen des makroskopischen Verhaltens unabdingbar. Insbesondere die Beschreibung der Flüssigkeitsausbreitung durch den komplexen Porenraum der offenporigen und hochporösen Diagnostikmembranen stellt eine große Herausforderung dar, zu deren Bewältigung Charakterisierungs- und Modellierungsansätze für unterschiedliche Längenskalen notwendig sind. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher im Rahmen von drei
more » ... hmen von drei Themenschwerpunkten i) mit der Gewinnung digitaler Zwillinge des Porenraums, ii) mit der geometrischen, physikalischen und datengetriebenen Charakterisierung der Abbilder sowie iii) mit der mathematischen Beschreibung und Vorhersage der kapillargetriebenen Flüssigkeitsausbreitung. Zur Gewinnung der digitalen Zwillinge werden zwei Methoden vorgestellt. Einerseits wird hierzu der Weg über die hochauflösende Computertomografie gewählt, wobei die Bildbearbeitung und Datenkonvertierung der Bilddaten zu 3D-Modellen eine besondere Aufmerksamkeit erfährt. Als weiteren Weg wird ein neuartiger Generierungsalgorithmus vorgestellt, mithilfe dessen 3D-Modelle von Membranstrukturen mit beeinflussbaren Struktureigenschaften erstellt werden können. Zur geometrischen Charakterisierung der komplexen Porenräume wird eine hybride Methode präsentiert, die die Vorteile eines Euklidischen Distanzfelds und einer Medial Achse kombiniert. Dadurch lassen sich geometrische Größen wie der mittlere Porenradius oder die mittlere Stegdicke bestimmen und entsprechende Verteilungsfunktionen dieser Metriken ableiten. Die porösen Membranstrukturen werden des Weiteren systematisch charakterisiert, wobei einerseits durch das Lösen partieller Differentialgleichungen im Porenraum physikalische Transportvorgänge simuliert werden können. Andererseits eröffnet die Anwendung von Zweipunktkorrelationen mit einer anschließenden Reduktion des entstandenen Merkmalraums, über eine Hauptkomponentenanalyse, neue Blickwinkel auf die komplexe Morphologie. Die Charakterisierung erm [...]
doi:10.5445/ir/1000122904 fatcat:pfe3mkrkdjcf7kzwujurgeii6q