Unter Computermodellierung versteht man den Einsatz von Computern zur Simulation und Untersuchung komplexer Systeme mithilfe von Mathematik, Physik und Informatik. Ein Computermodell enthält zahlreiche Variablen, die das untersuchte System charakterisieren. Die Simulation erfolgt, indem die Variablen einzeln oder in Kombination eingestellt und die Ergebnisse beobachtet werden. Die Computermodellierung ermöglicht es Wissenschaftlern, Tausende von simulierten Experimenten am Computer durchzuführen. Aus den Tausenden von Computerexperimenten werden die wenigen Laborexperimente ermittelt, die am ehesten geeignet sind, das untersuchte Problem zu lösen.
Mit den heutigen Computermodellen kann ein biologisches System auf mehreren Ebenen untersucht werden. Modelle der Krankheitsentwicklung umfassen molekulare Prozesse, Wechselwirkungen zwischen Zellen und wie sich diese Veränderungen auf Gewebe und Organe auswirken. Die Untersuchung von Systemen auf mehreren Ebenen ist als Multiskalenmodellierung (MSM) bekannt.
Wie wird die rechnergestützte Modellierung zur Untersuchung komplexer Systeme eingesetzt?
Wettervorhersagemodelle treffen Vorhersagen auf der Grundlage zahlreicher atmosphärischer Faktoren. Genaue Wettervorhersagen können Leben und Eigentum schützen und Versorgungsunternehmen bei der Planung von Energieerhöhungen helfen, die bei extremen Klimaveränderungen auftreten.
Flugsimulatoren verwenden komplexe Gleichungen, die bestimmen, wie Flugzeuge fliegen und auf Faktoren wie Turbulenzen, Luftdichte und Niederschlag reagieren. Simulatoren werden eingesetzt, um Piloten zu schulen, Flugzeuge zu entwerfen und zu untersuchen, wie sich Flugzeuge bei veränderten Bedingungen verhalten.
Erdbebensimulationen zielen darauf ab, Leben, Gebäude und Infrastruktur zu retten. Computermodelle sagen voraus, wie die Zusammensetzung und die Bewegung von Strukturen mit den darunter liegenden Oberflächen interagieren und das Geschehen während eines Erdbebens beeinflussen.
Wie kann die computergestützte Modellierung die medizinische Versorgung und Forschung verbessern?
Verfolgung von Infektionskrankheiten. Computermodelle werden eingesetzt, um Infektionskrankheiten in Populationen zu verfolgen, die wirksamsten Maßnahmen zu ermitteln und diese zu überwachen und anzupassen, um die Ausbreitung von Krankheiten zu verringern. Die Identifizierung und Umsetzung von Maßnahmen, die die Ausbreitung von Krankheiten eindämmen, sind entscheidend für die Rettung von Menschenleben und die Verringerung der Belastung des Gesundheitssystems bei Pandemien von Infektionskrankheiten.
Klinische Entscheidungshilfe. Computermodelle sammeln, filtern, analysieren und präsentieren auf intelligente Weise Gesundheitsinformationen, um den Ärzten auf der Grundlage detaillierter Merkmale jedes einzelnen Patienten Leitlinien für die Behandlung von Krankheiten an die Hand zu geben. Die Systeme tragen dazu bei, dass ein Patient bei der Verlegung in die entsprechenden Krankenhauseinrichtungen und -abteilungen sowie bei der Durchführung verschiedener Tests im Laufe der Behandlung sachkundig und konsequent betreut wird.
Vorhersage von Arzneimittelnebenwirkungen. Forscher verwenden Computermodelle, um Medikamente zu entwickeln, die für die Patienten am sichersten sind und die wenigsten Nebenwirkungen haben. Dieser Ansatz kann die vielen Jahre verkürzen, die für die Entwicklung eines sicheren und wirksamen Medikaments benötigt werden.
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